Học thuyết Big Bounce - vũ trụ hiện tại là kết quả của vũ trụ trước - sắp thay thế thuyết Big Bang?

Giúp NTDVN sửa lỗi

Giả thuyết về “Vụ nổ lớn” (Big Bang) cho đến nay vẫn đang được chấp nhận để giải thích về sự khởi đầu của vũ trụ. Tuy nhiên, nhiều câu hỏi đã được đặt ra: có những gì tồn tại trước khi vụ nổ xảy ra, nguyên nhân của vụ nổ là gì? Một lý thuyết mới xuất hiện - vũ trụ hiện tại là kết quả của vũ trụ trước - Học thuyết Big Bounce. 

Vụ nổ lớn - Big Bang là gì?

Học thuyết Big Bang cho rằng vũ trụ có một điểm khởi đầu để hình thành. Đó là Vụ nổ lớn (Big Bang) - vụ nổ đầu tiên để từ đó đồng thời sinh ra không gian, năng lượng và vật chất để tạo ra vũ trụ như hiện nay. Theo kịch bản này, khởi thủy vũ trụ nguyên thuỷ chỉ là một đại dương cực kỳ đặc và nóng, rồi vụ nổ lớn Big Bang xảy ra, từ đó bắt đầu toàn bộ các biến cố sau này.

Theo đó, một vụ nổ lớn cách đây 13,8 tỷ năm đã khai sinh ra toàn bộ vũ trụ hiện nay khiến không gian liên tục mở rộng ra từ một điểm (gọi là điểm kỳ dị) cũng như sự xuất hiện của vật chất khởi nguồn từ các hạt cơ bản.

Lý thuyết Vụ nổ lớn tuy được thừa nhận qua một số thực nghiệm, nhưng sau đó nó cũng cần bổ sung bằng giả thuyết ‘lạm phát vũ trụ' để có một bức tranh tưởng như hoàn thiện hơn. Trong giai đoạn lạm phát vũ trụ này: vũ trụ giãn nở thật nhanh theo hàm mũ, sau đó giãn nở với tốc độ chậm hơn, cho phép các cấu trúc vũ trụ như sao, thiên hà hình thành.

Lạm phát vũ trụ là gì?

Vào năm 1980, Alan H.Guth (Stanford Linear Accelerator Center- Trung tâm gia tốc thẳng Stanford) đã đưa ra giả thuyết lạm phát vũ trụ (Cosmic inflation), nói về về sự tồn tại một giai đoạn giãn nở siêu gia tốc của vũ trụ, xảy ra vào những thời điểm đầu tiên sau Big Bang để giải thích rằng vũ trụ đã bắt đầu với một số tính chất nhất định: đồng nhất gần tuyệt đối và có hình học phẳng,....

Giai đoạn lạm phát vũ trụ này kéo dài từ 10−36 giây cho đến 10−33 tới 10−32 giây sau Vụ nổ lớn. Sau giai đoạn lạm phát vũ trụ này, vũ trụ tiếp tục giãn nở với tốc độ chậm hơn.

Về mặt lý thuyết, mặc dù đã hỗ trợ một phần cho học thuyết Vụ nổ lớn, khái niệm lạm phát vũ trụ không phù hợp với mô hình tiêu chuẩn của vật lý hạt. Mối liên hệ của nó với vật lý cơ bản như lý thuyết dây hoặc lực hấp dẫn lượng tử vẫn chưa được phát triển.

Minh họa Vụ nổ lớn và sự giãn nở của Vũ trụ được biểu diễn tại mỗi thời điểm bằng mặt cắt hình tròn. Phía bên trái hình có thể hiện về kỷ nguyên lạm phát vũ trụ, và là tâm của sự giãn nở gia tốc. (Ảnh: Phạm vi công cộng)

Nền hấp dẫn vũ trụ (CGB)

Lạm phát vũ trụ là giả thuyết của các nhà khoa học đưa ra để lập luận cho việc giải thích cho học thuyết Vụ nổ lớn. Nhưng nếu chúng ta chứng minh lập luận đó là sai thì sao?

Vào tháng 4/2022, các tác giả của một bài báo đăng trên The Astrophysical Journal Letters đã lập luận rằng một tín hiệu - được gọi là nền hấp dẫn vũ trụ (cosmic graviton background, viết tắt là CGB) - sẽ được phát hiện; và có thể phản bác thuyết Vụ nổ lớn (Big Bang) và Lạm phát vũ trụ, nhưng vẫn còn những thách thức về kỹ thuật và khoa học.

Theo tác giả thứ nhất của bài báo, Tiến sĩ Sunny Vagnozzi, thuộc Viện Vũ trụ học Kavli thuộc Đại học Cambridge, hiện thuộc Đại học Trento, ‘lạm phát vũ trụ’ là giả thuyết được đưa ra để cố gắng tinh chỉnh cho một giả thuyết nóng, gọi là mô hình Big Bang.

Ông nói tiếp: “Tuy nhiên, tính linh hoạt của các mô hình vũ trụ được hiển thị để có thể phù hợp với giả thuyết về lạm phát vũ trụ, trong bối cảnh không giới hạn của các kết quả vũ trụ, để cố gắng giải thích rằng lạm phát vũ trụ là không thể sai. Ngay cả khi các mô hình lạm phát riêng lẻ có thể được loại trừ. Về nguyên tắc, liệu có thể kiểm tra lạm phát vũ trụ theo cách độc lập với mô hình không?”

Nền vi sóng vũ trụ (CMB)

Khi vệ tinh Planck lần đầu tiên đo thấy nền vi sóng vũ trụ (cosmic microwave background, viết tắt là CMB), được coi là nguồn sáng lâu đời nhất trong vũ trụ, một số nhà khoa học đã đặt câu hỏi đối với lý thuyết về lạm phát vũ trụ. Theo Giáo sư Avi Loeb, đồng tác giả với tiến sĩ Vagnozzi, kết quả của vệ tinh Planck được coi là bằng chứng về lạm phát vũ trụ tại thời điểm công bố. Tuy nhiên, có một khả năng là kết quả trên thực tế cũng có thể chứng minh cho điều ngược lại.

Cùng với Anna Ijjas và Paul Steinhardt, Loeb tin rằng kết quả của vệ tinh Planck cho thấy giả thuyết về lạm phát vũ trụ mang đến nhiều vấn đề hơn là nó giải quyết được. Điều này có nghĩa là phải xem xét một lý thuyết hoàn toàn khác về nguồn gốc của vũ trụ.

Con đường truy tìm nguồn gốc của vũ trụ

Ví dụ, có lẽ vũ trụ bắt đầu không phải là kết quả của một Vụ nổ lớn. Có lẽ nó bắt đầu như là kết quả của một sự dội lại từ một vũ trụ trước đó bị co lại. Loeb nói. “Sự hiểu biết đúng đắn về những gì có trước Vụ nổ lớn, đòi hỏi một lý thuyết tiên đoán về lực hấp dẫn lượng tử, mà chúng ta hiện nay vẫn không có”.

Có thể có được cái nhìn sâu sắc mới về nguồn gốc của vũ trụ bằng cách nghiên cứu các hạt neutrino, chúng chiếm phần lớn khối lượng của vũ trụ. Nhiệt độ của vũ trụ ở mức 10 tỷ độ cho phép các hạt neutrino di chuyển tự do mà không bị tán xạ ngay sau Vụ nổ lớn. Vagnozzi nói: “Vũ trụ ngày nay phải chứa đầy dấu tích của neutrino từ thời đó”.

Bằng cách truy tìm các hạt hấp dẫn, các hạt làm trung gian cho lực hấp dẫn, Vagnozzi và Loeb nói rằng chúng ta có thể tìm đến khởi nguồn vũ trụ xa hơn nữa. Các ông cho rằng: một nền dấu tích của bức xạ hấp dẫn nhiệt với nhiệt độ thấp hơn một độ so với độ không tuyệt đối cần được hình thành, nó được gọi là nền hấp dẫn vũ trụ (cosmic graviton background, viết tắt là CGB).

Mối quan hệ Big Bang và CGB

Tuy nhiên, lý thuyết Big Bang không phù hợp với sự tồn tại của CGB. Do lạm phát vũ trụ xảy ra theo hàm mũ, thì các dấu tích của CGB đã bị phai nhạt đến mức không thể phát hiện được. Nếu có thể phát hiện ra CGB, có thể chứng minh rằng lạm phát vũ trụ không tồn tại, do đó sẽ loại trừ giả thuyết Big Bang.

Theo Vagnozzi và Loeb, có thể thực hiện một thử nghiệm như vậy trong tương lai và về lý thuyết, CGB có thể sẽ được phát hiện. Ngoài nền bức xạ vi sóng và neutrino, CGB đóng góp vào sự hình thành bức xạ vũ trụ. Các tàu thăm dò vũ trụ thế hệ tiếp theo có thể cung cấp những phép đo gián tiếp đầu tiên về CGB. Điều này sẽ được thực hiện bằng cách phát hiện ảnh hưởng của nó đối với tốc độ giãn nở của Vũ trụ sơ khai.

Học thuyết Big Bounce về sự hình thành vũ trụ

Big Bounce (Vụ nảy lớn hay Vụ dao động lớn) là một học thuyết mới ra đời, miêu tả vũ trụ hoạt động theo chu kỳ, nghĩa là trong một chu kỳ, đến một lúc nào đó vũ trụ sẽ sụp đổ, và sau đó nó sẽ tự khôi phục lại trở thành một vũ trụ mới.

Theo học thuyết này, thì hiện tại chúng ta đang trải qua pha giãn nở trước khi vũ trụ thu nhỏ lần nữa để sụp đổ. Khi cạn kiệt năng lượng, vũ trụ sẽ sụp đổ về trạng thái rất bé với mật độ vật chất cực kỳ lớn, rồi bắt đầu giãn nở trở lại.

Mặc dù đây có vẻ là học thuyết khá lạ lẫm với đại đa số mọi người nhưng nó lại được hình thành từ rất sớm (từ những năm 1980, ngay khi thuyết lạm phát vũ trụ (theory of inflation) dựa theo học thuyết Big Bang được phát triển) chứ không phải chỉ mới đây thôi.

Vụ nảy lớn - Big Bounce là gì?

Nếu như 'Vụ nổ lớn' được cho là thời điểm vũ trụ được sinh ra từ một điểm kỳ dị và chưa thể lý giải câu hỏi trước khi có vụ nổ này, vũ trụ trông như thế nào thì 'Vụ nảy lớn' lại bác bỏ điểm kỳ dị (không có vụ nổ nào) mà chỉ có sự co - giãn của vũ trụ (thời điểm Big Bounce).

Giả thuyết này cho rằng giữa pha co lại - giãn ra là sự kiện Cú Nghiền Lớn (Big Crunch), sau sự kiện này thì vũ trụ mới được hình thành và nó lại tiếp tục nở ra, các vũ trụ sẽ nối tiếp nhau mãi mãi chứ không hề có điểm khởi đầu hay kết thúc (hoạt động theo chu kỳ).

Sự co lại sẽ diễn ra khi năng lượng vũ trụ cạn kiệt làm cho vũ trụ quay lại trạng thái ban đầu, sau đó nó lại tiếp tục nóng lên và cực rắn - cô đặc cho đến khi xảy ra biến cố tiếp theo (Big Crunch) để giãn nở. Vũ trụ trước khi thời điểm Big Bounce xảy ra là một vũ trụ đối xứng gương với vũ trụ hiện tại, điều này đã được khẳng định trong lý thuyết hấp dẫn lượng tử vòng (loop quantum gravity, viết tắt là LQG).

Giả thuyết Big Bounce chính là một học thuyết cạnh tranh 'đáng gờm' của giả thuyết Big Bang mà nếu chứng minh được thì nó sẽ là một 'cú nảy lớn' thực sự đối với vật lý hiện đại.

Tất nhiên điều này vẫn cần phải có thời gian để hoàn thiện và phát triển, đó chính là sự phát triển không ngừng của khoa học và con người sẽ không bao giờ thỏa mãn với tri thức hiện có mà sẽ luôn khát khao vươn tới những tầm cao mới của nhận thức.

(T/h)



BÀI CHỌN LỌC

Học thuyết Big Bounce - vũ trụ hiện tại là kết quả của vũ trụ trước - sắp thay thế thuyết Big Bang?