Vũ trụ hình thành như thế nào?

Một thiên hà gần đó đã sinh ra hàng triệu ngôi sao. ESA)

Vì chúng ta biết rằng vũ trụ đang giãn nở, cả kích thước của vũ trụ nói chung và kích thước vũ trụ của chúng ta trước đây đều nhỏ hơn bây giờ đều đúng. Nếu bạn quay ngược thời gian đủ xa, vật lý học cho rằng vũ trụ sơ khai bao gồm các hạt cực nhỏ, một điểm dày đặc vô hạn và một điểm kỳ dị.

Phần lớn các nhà vật lý tin rằng Vụ nổ lớn đã giải phóng điểm kỳ dị này, nhưng tất cả các định luật vật lý đã biết đều bị phá vỡ trong vũ trụ sơ khai do các điều kiện khắc nghiệt của nó

Quay ngược thời gian

Luôn có những thứ trong vũ trụ giống với những gì chúng ta thấy ngày nay, nhưng chúng từng ở gần nhau hơn

Khi vũ trụ của chúng ta nhỏ hơn 380, chẳng hạn, khi vũ trụ ở độ tuổi khoảng 10.000 kelvin (tương đương 9 tỷ độ F), nó nhỏ hơn khoảng một triệu lần so với ngày nay. 727 độ C), nóng và đậm đặc đến mức nó là plasma (plasma), một trạng thái vật chất trong đó các nguyên tử bị xé thành proton, neutron và electron, nhưng chúng ta cũng gặp hiện tượng ly giải trong nhiều trường hợp khác trong không gian và trên không

Vũ trụ giống như một món súp đặc gồm các proton, neutron và electron được điều khiển bởi cùng một cơ chế vật lý mà chúng ta sử dụng để hiểu bom hạt nhân và lò phản ứng hạt nhân, nhưng chúng ta càng đi ngược thời gian, vật lý càng trở nên phức tạp hơn.

Tuy nhiên, khi mở rộng điều đó sang vũ trụ thậm chí còn trẻ hơn, mọi thứ trở nên rất không chắc chắn.

Chúng ta thiếu một lý thuyết vật lý có thể giải thích tình huống với nhiệt độ và áp suất cực cao của vũ trụ khi chúng ta cố gắng hiểu vũ trụ chưa đầy một giây sau khi hình thành. Chúng ta không thể hiểu được các hạt, lực và trường hoạt động như thế nào trong những trường hợp đó bởi vì tất cả các lý thuyết vật lý của chúng ta đều có sai sót.

Sự ra đời của một điểm kỳ dị

Sử dụng thuyết tương đối của Einstein, thuyết liên kết các bộ phận cấu thành của vũ trụ với lịch sử giãn nở của nó, các nhà vật lý có thể lập bản đồ tiến hóa của vũ trụ

Tuy nhiên, có một lỗ hổng chết người trong lý thuyết của Einstein. Nếu chúng ta áp dụng thuyết tương đối rộng vào kết luận logic của nó, thì vũ trụ của chúng ta đã từng bị nén thành một điểm duy nhất dày đặc vô hạn. Điểm kỳ dị Big Bang là tên của nó

Mặc dù điểm kỳ dị này thường được coi là "sự khởi đầu" của vũ trụ, nhưng thực ra không có sự khởi đầu nào cả.

Về mặt toán học, điểm kỳ dị Big Bang không chỉ ra sự khởi đầu của vũ trụ, mà là thuyết tương đối rộng đã thất bại và không còn khả năng dự đoán hay giải thích vũ trụ

Thuyết tương đối rộng, không thể giải thích lực hấp dẫn cường độ cao hoặc quy mô nhỏ, còn được gọi là lực hấp dẫn lượng tử, từ lâu đã được các nhà vật lý công nhận là không đủ. Nói cách khác, chúng ta cần vật lý mới để hiểu đầy đủ những khoảnh khắc đầu tiên của vũ trụ

Một câu hỏi xuyên thế hệ

Chúng ta có nhiều lý thuyết về lực hấp dẫn lượng tử, như lý thuyết dây và lực hấp dẫn lượng tử vòng, nhưng những lý thuyết này vẫn chưa được phát triển đầy đủ nên chưa thể kiểm tra chúng. Điều đáng buồn là chúng ta không có môn vật lý đó ngay bây giờ

Tuy nhiên, nếu một trong hai giả thuyết đó là đúng, chúng ta có thể khám phá ra nhiều điều về vũ trụ sơ khai

Điểm kỳ dị được thay thế bằng một đoạn không-thời gian có kích thước hữu hạn nếu lực hấp dẫn lượng tử tuần hoàn là đúng; . Chúng ta sẽ không thể trả lời các khái niệm giả thuyết này và thoát khỏi sự mơ hồ của chúng cho đến khi hoàn thành nhiều nghiên cứu vật lý lý thuyết hơn

Chúng ta có thể không bao giờ xác định được nguyên nhân của vụ nổ Big Bang, đó là một vấn đề khác. Ở quy mô đó, những khái niệm thông thường mà chúng ta hiểu, như "bắt đầu" và "trước đó", trở nên vô nghĩa; .  

Nếu trời trong, bạn có thể nhìn thấy hàng trăm nghìn điểm sáng nhỏ, nhiều đến mức không đếm nổi. Một số là các hành tinh, một số là các ngôi sao và một số thậm chí là các thiên hà. Tất cả những vật thể vũ trụ này đến từ đâu? .  

Không phải loại lạm phát đó. Nhiều đặc điểm của vũ trụ ngày nay có ý nghĩa nếu không gian trải qua quá trình giãn nở phi thường từ rất sớm trong lịch sử của nó. Theo lý thuyết lạm phát, vũ trụ đã giãn nở đáng kể chỉ trong một phần rất nhỏ của giây sau Vụ nổ lớn, được thúc đẩy bởi lượng năng lượng kỳ diệu chứa trong chính không gian. Sau giai đoạn lạm phát này, vũ trụ tiếp tục giãn nở và nguội đi, nhưng với tốc độ chậm hơn nhiều.

Lạm phát kéo dài không gian nhanh đến mức nó trở nên cực kỳ đồng đều. Nhưng không gian không hoàn toàn đồng nhất. Những dao động nhỏ về mật độ vật chất có trong vũ trụ sơ khai đã được khuếch đại ồ ạt trong quá trình lạm phát. Những dao động mật độ này cuối cùng đã tạo ra cấu trúc quy mô lớn của vũ trụ, bao gồm các dải lớn, bong bóng và cụm thiên hà

Đó có lẽ là Bí ẩn vĩ đại nhất, và là gốc rễ của tất cả những bí ẩn khác. Những câu hỏi lớn nhất của nhân loại — Cuộc sống bắt đầu như thế nào?

Ann Druyan, tác giả và góa phụ của nhà thiên văn học Carl Sagan, cho biết: “Tất cả những bí ẩn khác nằm ở cuối câu hỏi này. "Điều đó quan trọng với tôi vì tôi là con người và không thích không biết. "

Ngay cả khi các lý thuyết cố gắng giải quyết bí ẩn này ngày càng trở nên phức tạp, các nhà khoa học vẫn bị ám ảnh bởi khả năng một số mắt xích quan trọng nhất trong chuỗi lập luận của họ là sai.

bí ẩn cơ bản

Theo mô hình Big Bang tiêu chuẩn, vũ trụ được sinh ra trong thời kỳ lạm phát bắt đầu vào khoảng thế kỷ 13. 8 tỷ năm trước. Giống như một quả bóng bay đang giãn nở nhanh chóng, nó phồng lên từ kích thước nhỏ hơn một electron đến kích thước gần như hiện tại chỉ trong một phần rất nhỏ của giây.

Ban đầu, vũ trụ chỉ tràn ngập năng lượng. Một số năng lượng này kết tụ thành các hạt, tập hợp thành các nguyên tử nhẹ như hydro và heli. Những nguyên tử này đầu tiên tập hợp thành các thiên hà, sau đó là các ngôi sao, bên trong lò lửa của chúng, tất cả các nguyên tố khác đều được tôi luyện.

Đây là bức tranh được thống nhất chung về nguồn gốc vũ trụ của chúng ta như được mô tả bởi các nhà khoa học. Đó là một mô hình mạnh mẽ giải thích nhiều điều mà các nhà khoa học nhìn thấy khi họ nhìn lên bầu trời, chẳng hạn như sự trơn tru đáng chú ý của không-thời gian trên quy mô lớn và sự phân bố đồng đều của các thiên hà ở các phía đối diện của vũ trụ

Nhưng có những điều về câu chuyện này khiến một số nhà khoa học băn khoăn. Đối với những người mới bắt đầu, ý tưởng cho rằng vũ trụ đã trải qua một giai đoạn lạm phát nhanh chóng trong lịch sử của nó không thể được kiểm tra trực tiếp và nó dựa vào sự tồn tại của một dạng năng lượng bí ẩn trong buổi sơ khai của vũ trụ đã biến mất từ ​​​​lâu

Eric Agol, nhà vật lý thiên văn tại Đại học Washington, cho biết: "Lạm phát là một lý thuyết cực kỳ mạnh mẽ, nhưng chúng tôi vẫn không biết điều gì đã gây ra lạm phát hoặc liệu nó có phải là lý thuyết chính xác hay không, mặc dù nó hoạt động rất hiệu quả".

Đối với một số nhà khoa học, lạm phát là một bổ sung vụng về cho mô hình Big Bang, một sự phức tạp cần thiết được thêm vào để làm cho nó phù hợp với các quan sát. Đây sẽ không phải là sự bổ sung cuối cùng

Paul Steinhardt, nhà vật lý lý thuyết tại Đại học Princeton, cho biết: “Chúng tôi cũng đã học được rằng phải có vật chất tối trong vũ trụ và bây giờ là năng lượng tối”. "Vì vậy, cách thức hoạt động của mô hình ngày nay là bạn nói, 'OK, bạn lấy một số Vụ nổ lớn, bạn lấy một số lạm phát, bạn điều chỉnh nó để có các tính chất sau, sau đó bạn thêm một lượng vật chất tối và năng lượng tối nhất định. ' Những điều này không được kết nối trong một lý thuyết mạch lạc. "

Steinhardt lo lắng các nhà vũ trụ học đang đóng vai trò là kỹ sư hơn là nhà khoa học. Nếu một quan sát không khớp với mô hình hiện tại, họ sẽ gắn một thành phần khác hoặc sửa lại những cái hiện có để phù hợp. Các thành phần không được kết nối và không có lý do gì để thêm chúng ngoại trừ để khớp với các quan sát. Nó giống như cố gắng sửa một chiếc ô tô cũ bằng cách thêm các bộ phận mới từ những mẫu xe mới hơn nhưng khác. Những bộ phận đó có thể hoạt động trong thời gian ngắn, nhưng cuối cùng, bạn cần một chiếc xe mới

Một vũ trụ không tuổi

Trong những năm gần đây, Steinhardt đã làm việc với Anna Ijjas, một nhà vật lý lý thuyết tại Đại học Harvard, về một giải pháp thay thế triệt để cho mô hình Big Bang tiêu chuẩn.

Theo ý tưởng của họ, được gọi là vũ trụ học nảy, vũ trụ được sinh ra không chỉ một lần mà có thể nhiều lần trong những chu kỳ co lại và giãn nở vô tận. Lý thuyết này thay thế "vụ nổ lớn" bằng một "cú nảy lớn", kết nối nhuần nhuyễn các giai đoạn co lại và giãn nở của vũ trụ, đồng thời giải quyết nhiều vấn đề cản trở lý thuyết lạm phát

Cặp đôi tuyên bố rằng lý thuyết ekpyrotic hay "tuần hoàn" của họ sẽ giải thích không chỉ lạm phát mà cả những bí ẩn vũ trụ khác, bao gồm vật chất tối, năng lượng tối và lý do tại sao vũ trụ dường như đang giãn nở với tốc độ ngày càng nhanh. [18 Bí Ẩn Lớn Nhất Chưa Có Lời Giải Trong Vật Lý]

Trong khi gây tranh cãi, vũ trụ học nảy làm tăng khả năng vũ trụ là vô tận và tự đổi mới. Đó là một viễn cảnh có lẽ còn đáng kinh ngạc hơn cả một vũ trụ có điểm bắt đầu và điểm kết thúc rõ ràng, vì điều đó có nghĩa là các vì sao trên bầu trời, kể cả những ngôi sao già nhất, giống như những con đom đóm tồn tại trong thời gian ngắn trong sơ đồ vĩ đại của vạn vật.

"Tôi hy vọng rằng những nỗ lực mà xã hội đổ vào nghiên cứu khoa học sẽ đưa chúng ta đến gần hơn với những sự thật cơ bản chứ không chỉ là một cách để tạo ra những công cụ hữu ích", nhà thiên văn học Richard Massey của Viện Công nghệ California cho biết. "Nhưng tôi cũng sợ phát hiện ra rằng mọi thứ tôi biết đều sai, và thầm hy vọng rằng tôi không. "