Có một tiếng nổ lớn, bí ẩn về sự ra đời của vũ trụ, và dấu vết của sự tiến hóa của nhiều thiên hà qua hàng trăm triệu năm. Lý thuyết Big Bang gây sốc, mở ra tất cả các loại phỏng đoán về sự ra đời của vũ trụ, trùng hợp với những quan sát của chúng tôi.

Vậy, lý thuyết Vụ nổ lớn đúng như thế nào? Phải chăng vũ trụ đã tồn tại từ thời cổ đại? Vậy trước tiên chúng ta hãy xem những gì tồn tại trong vũ trụ?

Khi màn đêm buông xuống, bầu trời đầy những ngôi sao lấp lánh, và trong thiên hà của chúng ta, có hàng tỷ ngôi sao nằm rải rác xung quanh. Nhưng với sự trợ giúp của Kính viễn vọng Không gian Hubble, chúng ta sẽ ngạc nhiên khi thấy rằng các đại dương của các thiên hà đang trải rộng trong vũ trụ rộng lớn. Đồng thời, chúng tôi đã phát triển một số kỹ thuật thực tế để đo khoảng cách của các thiên hà này với chúng ta.

Một trong những cách đơn giản và hiệu quả để làm điều này là những gì chính Hubble đã khám phá, tính toán khoảng cách bằng cách nhìn vào một ngôi sao duy nhất trong một thiên hà.

Trước tiên, chúng ta cần đi sâu vào các vì sao và hiểu cách chúng hoạt động! Từ các ngôi sao non trẻ đến các biến số đến các vụ nổ siêu tân tinh ngoạn mục, tất cả chúng đều có một điểm chung - độ sáng nội tại và độ sáng quan sát được. Do đó, bằng cách nhìn vào độ sáng nội tại và độ sáng quan sát được của một ngôi sao, chúng ta có thể tính toán khoảng cách của ngôi sao với chúng ta dựa trên mối quan hệ giữa độ sáng và khoảng cách.

Một điểm quan trọng khác là hiệu ứng Doppler, trong đó ánh sáng phát ra bởi các vật thể di chuyển về phía chúng ta sẽ di chuyển về phía đầu màu xanh lam của quang phổ và ngược lại. Bằng cách đo các vạch quang phổ của các thiên hà, chúng ta có thể biết liệu các thiên hà đang di chuyển gần hơn hay ra xa chúng ta và biết chúng đang di chuyển nhanh như thế nào.

Thông qua việc quan sát mối quan hệ giữa khoảng cách của các thiên hà và dịch chuyển đỏ, chúng ta thấy rằng thiên hà càng xa, nó càng di chuyển ra xa chúng ta nhanh hơn! Nói cách khác, thiên hà càng xa thì độ dịch chuyển đỏ càng lớn. Bản thân Hubble không biết tại sao các thiên hà di chuyển ra xa nhau vào thời điểm đó, nhưng mối quan hệ này (tức là Định luật Hubble) bây giờ chúng ta biết rằng các thiên hà cách xa hơn một tỷ năm ánh sáng áp dụng theo mọi hướng của vũ trụ. Khám phá này đủ để bác bỏ một mô hình vĩnh cửu và không thay đổi của vũ trụ.

Vì vậy, điều gì khiến sự dịch chuyển đỏ của ánh sáng rõ rệt hơn khi một vật thể ở xa? Bản thân hiện tượng này dẫn đến một số lời giải thích có thể xảy ra, bao gồm:

Nhẹ mệt mỏi theo thời gian và mất năng lượng;

Vũ trụ dao động, giãn nở và co lại định kỳ, và chúng ta đang ở trong thời kỳ giãn nở;

Các hằng số vũ trụ, chẳng hạn như tốc độ ánh sáng hoặc hằng số hấp dẫn, thay đổi theo thời gian;

Vũ trụ giãn nở đều đặn và đồng đều, với sự tạo ra vật chất mới;

Vũ trụ đang quay với tốc độ cao, và có một chuyển động tịnh tiến khổng lồ và không thể quan sát được trong các thiên hà cách xa chúng ta.

Tất cả các lý thuyết này đều báo trước các hiện tượng khác nhau, về nguyên tắc, có thể được kiểm chứng bằng quan sát, điều này giúp chúng ta phân biệt giữa các lý thuyết này. Nhưng vào những năm 40 của thế kỷ 0, Gamow và các học trò của ông là Alfer và Herman đã đưa ra một lý thuyết khác thường.

Mô hình Big Bang của Gamow, và một số dự đoán của nó

Lý thuyết của Gamow cho rằng sự dịch chuyển đỏ là do thực tế là vũ trụ đang giãn nở, và nó đã từng giãn nở thậm chí còn nhanh hơn! Vũ trụ nguội đi, giãn nở và chậm lại theo thời gian.

Giống như các lý thuyết trước đó, lý thuyết của Gamow đã dẫn đến một số dự đoán đáng kinh ngạc. Điều gì sẽ xảy ra nếu chúng ta quay ngược thời gian và để mật độ và nhiệt độ của vũ trụ tăng dần?

Trên thực tế, nếu chúng ta quay trở lại đủ xa, vũ trụ không thể hình thành các nguyên tử trung tính ổn định do nhiệt độ cao! Nhưng trong một vũ trụ giãn nở, bức xạ từng bị ion hóa các nguyên tử bây giờ sẽ cực kỳ nóng và phân bố đều trong không gian, và bước sóng của các bức xạ này sẽ bị dịch chuyển đỏ đến dải vi sóng. Hơn nữa, những bức xạ dư này nên có một loại phổ rất cụ thể, phổ bức xạ vật đen.

儘管在20世紀40年代觀測手段尚顯落後，但伽莫夫的預測並未就此停步！

Nói về các nguyên tử riêng lẻ, còn các hạt nhân riêng lẻ thì sao? Theo một cách nào đó, khi nhiệt độ tăng lên, hạt nhân của nguyên tử cũng bị thổi bay bởi năng lượng bức xạ, và ở nhiệt độ cao như vậy, vũ trụ không thể tạo thành một cấu trúc phức tạp hơn một proton, neutron hoặc electron đơn lẻ!

Nhưng chúng ta phải nhớ rằng vũ trụ luôn giãn nở và nguội đi, và tại một thời điểm nào đó, khi nhiệt độ giảm, vũ trụ thực hiện những bước đầu tiên: proton và neutron kết hợp để tạo thành deuterium. Cũng có thể hiểu rằng ở nhiệt độ và mật độ thích hợp, vũ trụ đã trải qua phản ứng tổng hợp hạt nhân đơn giản trong một khoảng thời gian nhất định, tạo ra các nguyên tố nặng hơn bằng cách thêm proton và neutron!

Có lẽ, đây là cách các yếu tố khác nhau của vũ trụ được sinh ra!

Trên thực tế, đã có lúc sự thật về mô hình vũ trụ, bao gồm cả lý thuyết Vụ nổ lớn, được các nhà khoa học xem xét nghiêm túc. Bởi vì lý thuyết là công cụ để dự đoán các sự kiện có thể xảy ra, nhưng việc một lý thuyết có đúng hay không phải được hỗ trợ bởi dữ liệu quan sát và thực nghiệm có thể giúp chúng ta xác định lý thuyết nào là tốt nhất và hiệu quả nhất!

Trong 1964 năm, một số giả thuyết bắt đầu đi đến hồi kết. Tại sao? Đã đến lúc xác nhận các dự đoán.

Arnold Penzias và Bob Wilson làm việc tại Bell Labs, nơi họ sử dụng ăng-ten sừng để nghiên cứu bức xạ vi sóng trong vũ trụ. Họ phát hiện ra rằng mặc dù có một số bức xạ vi sóng đặc biệt trên mặt phẳng của Dải Ngân hà, toàn bộ bầu trời vẫn tràn ngập tiếng ồn nhiệt độ thấp, vẫn tồn tại ngay cả sau khi họ dọn dẹp một lượng lớn phân chim từ miệng ăng-ten và xua đuổi những con chim gần đó.

Trên thực tế, họ bối rối trước tiếng ồn nhiệt độ thấp tràn ngập bầu trời và không biết nó là gì. Đây là dư âm của Vụ nổ lớn do Gamow dự đoán. Nhưng còn phổ của bức xạ này thì sao? Mãi cho đến sứ mệnh COBE vào những năm 900, và sau đó là WMAP và Planck Sky Surveys, mọi người mới thực sự được xác nhận thông qua phép đo chính xác bức xạ vi sóng!

Vụ nổ lớn, với độ chính xác đáng kinh ngạc và không thể chối cãi, dự đoán bức xạ vi sóng vũ trụ phân bố đều trên bầu trời!

Còn những lời tiên tri về sự dồi dào của các yếu tố ánh sáng thì sao? Chúng tôi hy vọng Vụ nổ lớn sẽ tạo thành một vũ trụ bao gồm chủ yếu khoảng 3% hydro, 0% heli, một lượng nhỏ deuterium, heli-0 và một lượng rất nhỏ lithium. Chúng ta thấy gì trong phổ bức xạ vi sóng?

Lý thuyết Big Bang chỉ mới hình thành vào những năm 40 của thế kỷ 0, nhưng khả năng dự đoán của nó rất phù hợp với các quan sát! Theo thuyết tương đối rộng, chúng ta có thể thêm nhiều vật chất kỳ lạ khác nhau vào cấu trúc quy mô lớn của vũ trụ, chẳng hạn như: đơn cực từ, dây vũ trụ, thành miền từ, hằng số vũ trụ, neutrino, vật chất tối, năng lượng tối, độ cong không gian, nguyên tử và photon. Tất cả các chất này tạo ra các hiện tượng quan sát được rất khác nhau trong các cấu trúc quy mô lớn.

Dao động bức xạ qua nền vi sóng. Chúng tôi phát hiện ra rằng có một số vật chất tối ở đầu vũ trụ, với một hằng số vũ trụ, một số lượng nhỏ neutrino, và phần còn lại chủ yếu là nguyên tử và photon. Điều này phù hợp với những dự đoán của lý thuyết Vụ nổ lớn.

Phải chăng các điều kiện ban đầu của Vụ nổ lớn không cần phải được tinh chỉnh để có được một vũ trụ chứa đầy quá nhiều vật chất? Điều đó có nghĩa là vật chất trong vũ trụ đến từ đâu?

Giải pháp là lý thuyết lạm phát vũ trụ, có khả năng kích hoạt Vụ nổ lớn.

Lý thuyết Big Bang cho đến nay là lý thuyết thành công nhất về vũ trụ. Tất cả các lý thuyết khác đã bị đánh bại trên đường đi, bao gồm lý thuyết mệt mỏi của ánh sáng, lý thuyết trạng thái ổn định của Hoyle và vũ trụ học plasma của Alvin.

Thận trọng, nếu đưa ra một xác suất, Vụ nổ lớn có xác suất 9,0% từ khi vũ trụ ra đời cho đến ngày nay là đúng. Đó là lý do tại sao chúng tôi thực sự tin rằng tất cả bắt đầu với tiếng nổ chấn động trái đất đó!