Vụ nổ lớn không phải là sự khởi đầu, sau tất cả

Khoa Học/Công Nghệ

Ban đầu, có ánh sáng, vật chất và phản vật chất, trong một vũ trụ giãn nở và làm mát. Nhưng một cái gì đó khác đã xảy ra trước đây.

Một vũ trụ mở rộng và nguội đi ngày nay, giống như chúng ta, phải nóng hơn và dày đặc hơn trong quá khứ. Ban đầu, Big Bang được coi là điểm kỳ dị mà từ đó trạng thái dày đặc, nóng bỏng, dày đặc này xuất hiện. Nhưng chúng ta biết rõ hơn ngày hôm nay.NASA / GSFC

Vũ trụ bắt đầu không phải bằng một tiếng thút thít, mà bằng một tiếng nổ! Ít nhất, đó là những gì bạn thường nói: Vũ trụ và mọi thứ trong đó tồn tại vào thời điểm xảy ra Vụ nổ lớn. Không gian, thời gian, và tất cả các vật chất và năng lượng bên trong bắt đầu từ một điểm kỳ dị, sau đó mở rộng và làm mát, tạo ra hàng tỷ năm cho các nguyên tử, ngôi sao, thiên hà và các cụm thiên hà trải đều trong hàng tỷ năm ánh sáng tạo nên vũ trụ quan sát của chúng tôi. Đó là một bức tranh đẹp, hấp dẫn giải thích rất nhiều những gì chúng ta thấy, từ cấu trúc quy mô lớn hiện tại của hai nghìn tỷ thiên hà cho đến ánh sáng còn sót lại của bức xạ thấm vào tất cả sự tồn tại. Thật không may, nó cũng sai, và các nhà khoa học đã biết điều này trong gần 40 năm.

Lần đầu tiên được ghi nhận bởi Vesto Slodes, một thiên hà càng ở xa, trung bình, nó được quan sát thấy càng nhanh để rời xa chúng ta. Trong nhiều năm, lời giải thích bất chấp này, cho đến khi các quan sát của Hubble cho phép chúng ta ghép các mảnh lại với nhau: Vũ trụ đang mở rộng.Vesto Slodes, (1917): Proc. Amer. Phil. Sóc, 56, 403

Ý tưởng về Big Bang lần đầu tiên xuất hiện trở lại vào những năm 1920 và 1930. Khi chúng tôi nhìn ra các thiên hà xa xôi, chúng tôi đã phát hiện ra một điều kỳ dị: chúng càng ở xa chúng tôi, chúng càng xuất hiện nhanh hơn so với chúng tôi. Theo dự đoán của Thuyết tương đối rộng của Einstein, một vũ trụ tĩnh sẽ không ổn định về mặt trọng lực; tất cả mọi thứ cần thiết để di chuyển khỏi nhau hoặc sụp đổ về phía nhau nếu kết cấu không gian tuân theo luật pháp của anh ta. Quan sát về cuộc suy thoái rõ ràng này đã dạy chúng ta rằng Vũ trụ đang mở rộng ngày nay và nếu mọi thứ ngày càng xa nhau khi thời gian trôi qua, điều đó có nghĩa là chúng đã ở gần nhau hơn trong quá khứ xa xôi.

Nếu bạn nhìn xa hơn và xa hơn, bạn cũng nhìn xa hơn và xa hơn vào quá khứ. Càng đi sớm, càng nóng và đặc hơn, cũng như ít phát triển hơn, Vũ trụ hóa ra là.NASA / STScI / A. Felid

Vũ trụ giãn nở không chỉ có nghĩa là mọi thứ ngày càng xa nhau khi thời gian trôi qua, điều đó cũng có nghĩa là ánh sáng tồn tại trong Vũ trụ trải dài theo bước sóng khi chúng ta du hành về phía trước theo thời gian. Vì bước sóng xác định năng lượng (ngắn hơn là nhiều năng lượng hơn), điều đó có nghĩa là Vũ trụ nguội đi khi chúng ta già đi, và do đó mọi thứ đã nóng hơn trong quá khứ. Ngoại suy điều này trở lại đủ xa, và bạn sẽ đến một thời điểm mà mọi thứ đều nóng đến mức các nguyên tử trung tính thậm chí không thể hình thành. Nếu bức ảnh này là chính xác, chúng ta sẽ thấy một tia sáng còn sót lại của ngày hôm nay, theo mọi hướng, đã nguội đi chỉ còn vài độ trên độ không tuyệt đối. Việc phát hiện ra nền vi sóng vũ trụ này vào năm 1964 bởi Arno Penzias và Bob Wilson là một xác nhận ngoạn mục của Big Bang.

Theo các quan sát ban đầu của Penzias và Wilson, mặt phẳng thiên hà đã phát ra một số nguồn phóng xạ vật lý (trung tâm), nhưng bên trên và bên dưới, tất cả những gì còn lại là một nền tảng bức xạ gần như hoàn hảo của.NASA / WMAP

Do đó, thật hấp dẫn để tiếp tục ngoại suy ngược thời gian, đến khi Vũ trụ còn nóng hơn, dày đặc hơn và gọn hơn. Nếu bạn tiếp tục quay lại, bạn sẽ thấy:

  • Thời điểm quá nóng để hình thành hạt nhân nguyên tử, nơi bức xạ nóng đến mức mọi proton và neutron bị ràng buộc sẽ bị phá hủy.
  • Thời điểm mà các cặp vật chất và phản vật chất có thể tự hình thành, vì Vũ trụ tràn đầy năng lượng đến mức các cặp hạt / phản hạt có thể tự tạo ra.
  • Thời điểm mà các proton và neutron riêng lẻ phân hủy thành plasma quark-gluon, vì nhiệt độ và mật độ cao đến mức Vũ trụ trở nên đậm đặc hơn bên trong hạt nhân nguyên tử.
  • Và cuối cùng, thời điểm mật độ và nhiệt độ tăng lên các giá trị vô hạn, vì tất cả vật chất và năng lượng trong Vũ trụ đều được chứa trong một điểm duy nhất: một điểm kỳ dị.

Điểm cuối cùng này - điểm kỳ dị này đại diện cho nơi các định luật vật lý bị phá vỡ - cũng được hiểu là đại diện cho nguồn gốc của không gian và thời gian. Đây là ý tưởng cuối cùng của Big Bang.

Nếu chúng ta ngoại suy tất cả các cách trở lại, chúng ta sẽ đến trạng thái sớm hơn, nóng hơn và dày đặc hơn. Điều này có lên đến đỉnh điểm ở một điểm kỳ dị, nơi mà các định luật vật lý tự phá vỡ không? NASA / CXC / M. Weiss

Tất nhiên, tất cả mọi thứ ngoại trừ điểm cuối cùng đã được xác nhận là đúng! Chúng tôi đã tạo ra các plasma quark-gluon trong phòng thí nghiệm; chúng ta đã tạo ra các cặp vật chất phản vật chất; chúng tôi đã thực hiện các tính toán cho các yếu tố ánh sáng nào sẽ hình thành và mức độ phong phú trong giai đoạn đầu của Vũ trụ, thực hiện các phép đo và thấy rằng chúng phù hợp với dự đoán của Big Bang. Tiến về phía trước thậm chí xa hơn, chúng tôi đã đo được sự dao động trong nền vi sóng vũ trụ và xem các cấu trúc ràng buộc hấp dẫn như các ngôi sao và thiên hà hình thành và phát triển như thế nào. Ở mọi nơi chúng ta nhìn, chúng ta tìm thấy một sự thỏa thuận to lớn giữa lý thuyết và quan sát. Big Bang trông giống như một người chiến thắng.

Sự dao động mật độ trong nền vi sóng vũ trụ cung cấp hạt giống cho cấu trúc vũ trụ hiện đại hình thành, bao gồm các ngôi sao, thiên hà, cụm thiên hà, dây tóc và các khoảng trống vũ trụ quy mô lớn.Chris Blake và Sam Moorfield

Ngoại trừ, đó là, trong một vài liên quan. Ba điều cụ thể mà bạn mong đợi từ Vụ nổ lớn đã không xảy ra. Đặc biệt:

  • Vũ trụ không có nhiệt độ khác nhau theo các hướng khác nhau, mặc dù một khu vực cách xa hàng tỷ năm ánh sáng theo một hướng không bao giờ có thời gian (kể từ Vụ nổ lớn) để tương tác hoặc trao đổi thông tin với diện tích hàng tỷ năm ánh sáng trong theo hướng ngược lại.
  • Vũ trụ không có độ cong không gian có thể đo được khác 0, mặc dù một Vũ trụ phẳng hoàn toàn về mặt không gian đòi hỏi sự cân bằng hoàn hảo giữa sự giãn nở ban đầu và mật độ vật chất và bức xạ.
  • Vũ trụ không có bất kỳ di vật năng lượng cực cao nào còn sót lại từ thời kỳ đầu tiên, mặc dù nhiệt độ tạo ra các di tích này nên tồn tại nếu Vũ trụ nóng tùy ý.
  • Các nhà lý luận suy nghĩ về những vấn đề này bắt đầu nghĩ đến những giải pháp thay thế cho một "điểm kỳ dị" đối với Big Bang, và thay vào đó là những gì có thể tái tạo trạng thái nóng, dày đặc, mở rộng, làm mát trong khi tránh những vấn đề này. Vào tháng 12 năm 1979, Alan Guth đã đạt được một giải pháp.

    Trong một vũ trụ thổi phồng, có năng lượng vốn có cho chính không gian, gây ra sự giãn nở theo cấp số nhân. Luôn luôn có một xác suất khác không rằng lạm phát sẽ chấm dứt (được biểu thị bằng chữ 'X' màu đỏ) bất cứ lúc nào, dẫn đến trạng thái nóng, dày đặc, nơi Vũ trụ chứa đầy vật chất và phóng xạ. Nhưng ở những vùng không kết thúc, không gian sẽ tiếp tục tăng .E. Siegel / Vượt xa thiên hà

    Thay vì trạng thái nóng, dày đặc tùy ý, Vũ trụ có thể đã bắt đầu từ trạng thái không có vật chất, không có bức xạ, không có phản vật chất, không có neutrino và không có hạt nào cả. Tất cả năng lượng hiện diện trong Vũ trụ thay vào đó sẽ bị ràng buộc trong cấu trúc của không gian: một dạng năng lượng chân không, khiến Vũ trụ giãn nở với tốc độ theo cấp số nhân. Ở trạng thái vũ trụ này, các dao động lượng tử vẫn tồn tại và khi không gian mở rộng, các dao động này sẽ được kéo dài trên khắp Vũ trụ, tạo ra các vùng có mật độ năng lượng trung bình nhiều hơn hoặc ít hơn một chút. Và cuối cùng, khi giai đoạn này của Vũ trụ - thời kỳ lạm phát này - chấm dứt, năng lượng đó sẽ được chuyển đổi thành vật chất và bức xạ, tạo ra trạng thái nóng, dày đặc đồng nghĩa với Vụ nổ lớn.

    Các dao động lượng tử vốn có trong không gian, trải dài trong Vũ trụ trong quá trình lạm phát vũ trụ, đã làm nảy sinh các dao động mật độ in trên nền vi sóng vũ trụ, từ đó tạo ra các ngôi sao, thiên hà và cấu trúc quy mô lớn khác trong Vũ trụ ngày nay. E Siegel, với các hình ảnh có nguồn gốc từ ESA / Planck và lực lượng đặc nhiệm liên ngành DoE / NASA / NSF trong nghiên cứu CMB

    Đây được coi là một ý tưởng hấp dẫn nhưng có tính đầu cơ, nhưng có một cách để kiểm tra nó. Nếu chúng ta có thể đo lường sự biến động trong ánh sáng còn sót lại của Big Bang và chúng thể hiện một mô hình cụ thể phù hợp với dự đoán của lạm phát, đó sẽ là "súng khói" cho lạm phát. Hơn nữa, những dao động đó sẽ phải rất nhỏ về cường độ: đủ nhỏ để Vũ trụ không bao giờ có thể đạt đến nhiệt độ cần thiết để tạo ra các di vật năng lượng cao, và nhỏ hơn nhiều so với nhiệt độ và mật độ nơi không gian và thời gian xuất hiện từ một số ít. Trong những năm 1990, 2000, và một lần nữa vào những năm 2010, chúng tôi đã đo lường những biến động đó một cách chi tiết và tìm thấy chính xác điều đó.

    Các dao động trong nền vi sóng vũ trụ, được đo bằng COBE (trên quy mô lớn), WMAP (trên quy mô trung gian) và Planck (trên quy mô nhỏ), đều phù hợp với không chỉ phát sinh từ một biến động lượng tử bất biến quy mô, nhưng vì độ lớn thấp đến mức chúng không thể phát sinh từ một trạng thái dày đặc, nóng bỏng tùy tiện.NASA / WMAP

    Kết luận là không thể giải thích được: Big Bang nóng bỏng chắc chắn đã xảy ra, nhưng không kéo dài để quay trở lại trạng thái dày đặc và nóng bỏng tùy tiện. Thay vào đó, Vũ trụ rất sớm trải qua một khoảng thời gian mà tất cả năng lượng sẽ đi vào vật chất và bức xạ hiện nay thay vào đó bị ràng buộc trong cấu trúc của không gian. Thời kỳ đó, được gọi là lạm phát vũ trụ, đã chấm dứt và tạo ra Big Bang nóng bỏng, nhưng không bao giờ tạo ra một trạng thái nóng bỏng, dày đặc tùy tiện, cũng không tạo ra một điểm kỳ dị. Điều gì đã xảy ra trước khi lạm phát - hoặc liệu lạm phát có tồn tại mãi mãi trong quá khứ hay không - vẫn là một câu hỏi mở, nhưng có một điều chắc chắn: Vụ nổ lớn không phải là khởi đầu của Vũ trụ!

    Có thể bạn quan tâm