Vũ trụ(Những gì mà ta chưa bít về nó... muốn bít vào coi đi)

Vũ trụ là gì?
Vũ trụ là toàn bộ không-thời gian trong nó chúng ta đang sống, chứa toàn bộ năng lượng hay vật chất. Môn học nghiên cứu vũ trụ, trên những khoảng cách lớn nhất có thể, là vũ trụ học, một môn khoa học kết hợp giữa vật lý và thiên văn.

Vũ trụ học, về cuối thế kỷ 20, được phân làm hai nhánh chính: thực nghiệm (vũ trụ học thực nghiệm) và lý thuyết (vũ trụ học lý thuyết). Các nhà vũ trụ học thực nghiệm đã gần như từ bỏ hy vọng có thể quan sát được toàn bộ vũ trụ; trong khi đó, các nhà vũ trụ học lý thuyết vẫn phát triển các mô hình cho toàn bộ vũ trụ, bất chấp khả năng các lý thuyết này sẽ không có đủ bằng chứng thực nghiệm để kiểm chứng.

Các từ "vũ trụ quan sát được", "vũ trụ nhìn thấy" là dành cho vũ trụ mà con người có thể cảm nhận được qua các phương tiện thực nghiệm.

Những hình ảnh xa nhất (và do đó cổ nhất) chụp được từ vũ trụ. Chụp bởi Hubble Ultra Deep Field; NASA, ESA, S. Beckwith (STScI) và nhóm HUDF

*Lịch sử khám phá
Các mốc chính trong lịch sử khám phá vũ trụ của loài người:

Thế kỷ 4 TCN, Aristarchus có vẻ như là người đầu tiên hiểu được về hệ thống hành tinh và hệ nhật tâm. Khám phá này đối lập với quan niệm về thế giới của Aristotle. Ông cũng đã tính được khá chính xác khoảng cách giữa Trái Đất và Mặt Trăng.
Thế kỷ 3 TCN, Eratosthenes cũng đã tính được chu vi Trái Đất tại xích đạo chỉ sai khác khoảng 650 km (sai số 1,5%).
Thế kỷ 2 TCN, Hipparchus tính lại khoảng cách giữa Trái Đất và Mặt Trăng, thống kê 1500 ngôi sao, tính gần đúng chu kỳ tuế sai của trục Trái Đất.
Những kiến thức này được người Ả Rập học lại. Khi người Ả Rập mở rộng ảnh hưởng, quyển sách Almagest của Claudius Ptolemaeus với mô hình vũ trụ địa tâm được truyền bá.

Cuộc cách mạng Copernic đã đảo lộn lại quan niệm địa tâm:

Nicolaus Copernicus khám phá lại hệ nhật tâm.
Isaac Newton và Johannes Kepler xác định chuyển động của các hành tinh, dựa vào các định luật Newton và khám phá về lực hấp dẫn, được kiểm chứng bởi quan sát thiên văn.
Giordano Bruno áp dụng mô hình hệ Mặt Trời cho tất cả các ngôi sao khác, mở rộng vũ trụ ra vô cùng.
Các tiến bộ về kỹ thuật quan sát thiên văn trong thế kỷ 20 đã mở ra một loạt khám phá về các vật thể kỳ lạ trong vũ trụ (như các sao trong giai đoạn phát triển khác nhau), về cấu trúc vĩ mô của vũ trụ (gồm các sao tụ tập trong các thiên hà và các nhóm thiên hà), và đặc biệt là xu thế giãn nở của vũ trụ, quan sát bởi Edwin Hubble.

Quan sát về sự giãn nở của vũ trụ là một trong các tiền đề để xây dựng nên mô hình về sự tiến hóa của vũ trụ được công nhận rộng rãi nhất hiện nay, mô hình Vụ Nổ Lớn.

Lý thuyết Vụ Nổ Lớn(big bang)
Từ quan sát dịch chuyển đỏ của các thiên hà chúng ta có bằng chứng rằng vũ trụ đang nở ra, theo định luật Hubble. Quay ngược về quá khứ, ta sẽ gặp đến một điểm kỳ dị hấp dẫn, một khái niệm mang tính chất toán học, có thể không thực sự trùng với sự thật. Đây là cơ sở để hình thành lý thuyết Vụ Nổ Lớn, lý thuyết được công nhận nhiều nhất trong vũ trụ học ngày nay. Lý thuyết này cộng với các tiến bộ trong quan sát (Máy đo dị hướng vi sóng Wilkinson, WMAP, của NASA) đã ước lượng tuổi vũ trụ vào khoảng 13,7 tỷ (13,7 × 109) năm, với sai số cỡ 1% (± 200 triệu năm). Độ chính xác này dựa trên giả thuyết là các lý thuyết dùng trong xử lý kết quả đo đạc là đúng. Nhiều phép đo khác cho những kết quả dao động từ 10 đến 20 tỷ năm.

Các quan sát nền tảng của thuyết Vụ Nổ Lớn gồm có:

Các thiên hà ở càng xa càng chuyển động ra xa nhanh hơn.
Phông vi sóng vũ trụ, có nhiều khả năng là các bức xạ tàn dư từ thời kỳ đầu của Vụ Nổ Lớn, nay đã bị dịch chuyển đỏ đến mức có tần số của chúng nằm trong vùng vi sóng. Nền bức xạ này rất đẳng hướng có thể giải thích bởi lạm phát vũ trụ ngay sau Vụ Nổ Lớn.
Tỷ lệ các nguyên tố nặng tăng dần qua các thế hệ sao nhờ tổng hợp trong các phản ứng năng lượng cao.
Phân bố và tiến hóa về hình dáng và thành phần hóa học của các thế hệ thiên hà.


Theo thuyết Vụ Nổ Lớn, vũ trụ bắt nguồn từ một trạng thái vô cùng đặc và vô cùng nóng (điểm dưới cùng). Từ đó, không gian đã mở rộng cùng với thời gian và làm cho các thiên hà di chuyển xa nhau hơn.

Kích thước của vũ trụ và vũ trụ quan sát được
Vấn đề vũ trụ thực tế là vô tận hay hữu hạn hiện vẫn còn nhiều tranh luận.

Vũ trụ quan sát được, gồm tất cả mọi nơi có thể có tác động đến con người kể từ Vụ Nổ Lớn, chắc chắn là hữu hạn, do tốc độ truyền tương tác không vượt quá tốc độ ánh sáng. Rìa của chân trời vũ trụ cách chúng ta 13,7 tỷ năm ánh sáng. Tuy nhiên những gì ta thấy ở rìa đã diễn ra cách đây 13,7 tỷ năm. Do vũ trụ đã không ngừng nở, tại thời điểm hiện nay, rìa đó đã đi được đến khoảng cách áng chừng khoảng 78 tỷ năm ánh sáng (7.4 × 1023 km), còn gọi là khoảng cách đồng hành của rìa.

Như vậy, thể tích đồng hành của vũ trụ quan sát được là 1.9 × 1033 năm ánh sáng khối (coi như vùng vũ trụ này có hình cầu). Vũ trụ quan sát được chứa khoảng 7 × 1022 ngôi sao, nhóm lại trong khoảng 100 tỷ thiên hà, tập trung thành các nhóm thiên hà và các siêu nhóm thiên hà. Số lượng thiên hà, theo quan sát bởi Hubble Deep Field của Hubble Space Telescope, có thể lớn hơn ước lượng trên.

Đa số các nhà thiên văn dùng từ "vũ trụ" khi nói đến "vũ trụ quan sát được". Lý do là các hiện tượng vật lý nằm ngoài khoảng vũ trụ quan sát được không có tác động gì đến chúng ta và không có giá trị khoa học.

Chúng ta nằm ngay tại tâm của vũ trụ quan sát được . Điều này đi ngược lại nguyên lý Copernic, nói rằng vũ trụ là đồng nhất và không có tâm. Lý do là mọi tương tác đều chuyển động với vận tốc tối đa là vận tốc ánh sáng. Chúng ta nhìn càng xa, thì tức là chúng ta càng nhìn về quá khứ, và giới hạn là tại thời điểm khi Vụ Nổ Lớn mới nổ. Và ánh sáng chuyển động với cùng vận tốc theo mọi hướng đến chúng ta, chúng ta nằm ở tâm của vũ trụ quan sát được.
Thành phần
Các quan sát về vũ trụ hiện nay cho thấy nó là một không-thời gian phẳng (trên thang vĩ mô) chứa mật độ năng lượng-khối lượng 9,9 × 10-30 gam trên xentimét khối. Trong đó có 73% năng lượng tối (suy từ hình dạng không thời gian), 23% vật chất tối (suy từ quỹ đạo cả các thiên hà và đo đặc về lỗ đen) và 4% các nguyên tố hóa học (suy từ quan sát các thiên thể phát ra ánh sáng hay bức xạ điện từ) [1] Bản chất của vật chất tối và năng lượng tối vẫn chưa được hiểu kỹ.

Trong thời kỳ đầu của Vụ Nổ Lớn, vật chất thông thường và phản vật chất cùng được sinh ra với khối lượng bằng nhau. Tuy nhiên, do vi phạm đối xứng CP, lượng vật chất thông thường dần chiếm tỷ lệ cao hơn. Phần vật chất và phản vật chất còn lại tự hủy cặp với nhau để sinh ra photon, và vũ trụ còn lại lượng vật chất thông thường dư thừa như ngày nay.[2]

Trước khi những sao đầu tiên hình thành, thành phần hóa học của vũ trụ chứa chủ yếu hydro (75% khối lượng tổng cộng), và một phần helium-4 (4He) (24% khối lượng tổng cộng) cùng với một chút các nguyên tố hóa học còn lại.[3] Một lượng nhỏ là đồng vị đơtơri, 3He và liti (7Li).[4] Sau đó, qua các thế hệ sao sinh ra và chết đi, không gian giữa các sao được bổ sung thêm các sản phẩm của các phản ứng nhiệt hạch, thường được phóng ra bởi các vụ nổ của siêu tân tinh, gió sao...[5]

Vụ Nổ Lớn còn để là một lượng lớn các photon (ở dạng bức xạ nền đã quan sát được) và neutrino. Nhiệt độ của bức xạ nền giảm đều đặn khi vũ trụ nở ra, và nay xuống còn 2,725 K, ứng với cực đại bức xạ ở sóng vi ba.[6] Mật độ của nền neutrino ngày nay vào khoảng 150 hạt trên xentimét khối.[7]
Hình dáng vũ trụ

Kết quả chụp của WMAP về bức xạ phông vi sóng vũ trụ đã gợi ý rằng vũ trụ khá phẳng và do đó không đa liên thông

Hình dáng vũ trụ là một câu hỏi quan trọng trong vũ trụ học.

Câu hỏi đầu tiên là vũ trụ của chúng ta "phẳng" và tuân thủ hình học Euclid trên khoảng cách vĩ mô, hay không? Hiện nay, đa số các nhà vũ trụ học tin là vũ trụ quan sát được khá phẳng, chỉ có những chỗ không-thời gian méo địa phương do sự tập trung mật độ vật chất cao bất thường (như ở hố đen). Nhận xét này được củng cố bởi bằng chứng thực nghiệm của WMAP, một thí nghiệm nhìn vào "dao động" của phông vi sóng vũ trụ.

Câu hỏi thứ hai là vũ trụ của chúng ta có đa liên thông hay không? Theo mô hình của Vụ Nổ Lớn, vũ trụ của chúng ta không có biên giới, nhưng vẫn có thể chỉ chứa lượng không gian hữu hạn. Điều này tương tự như bề mặt của hình cầu: bề mặt này không có biên giới, nhưng diện tích bề mặt hữu hạn (4πR2); chúng ta đi trên bề mặt này theo một "đường thẳng" thì rồi sẽ lại vòng về chỗ cũ. Ví dụ ba chiều tương đương gọi là "không gian cầu" khám phá bởi Bernhard Riemann, với thể tích (2π2R3). Nếu vũ trụ của ta cũng tương tự vậy, khi ta đi theo "đường thẳng", ta sẽ trở lại điểm xuất phát sau khi đã đi hết "chu vi" của vũ trụ. Điều này cũng dẫn đến một kết quả thú vị là ta có thể nhìn thấy nhiều ảnh của cùng một ngôi sao, do ánh sáng từ nó có thể đi nhiều vòng quanh vũ trụ trước khi đến mắt ta (tương tự như nhiều ảnh của một ngọn nến nằm giữa hai gương song song). Câu hỏi này còn chưa được trả lời một cách dứt khoát, nhưng với kết quả về vũ trụ phẳng, khả năng về một vũ trụ đa liên thông là thấp
Tương lai vũ trụ ra sao hãy nghe những lời tuyên đoán của các nhà khoa học
Phụ thuộc vào mật độ vật chất và năng lượng trong vũ trụ của chúng ta mà nó sẽ tiếp tục nở ra mãi mãi hoặc nở ra chậm dần do lực hấp dẫn rồi sụp đổ trở lại, tạo thành Vụ Sập Lớn. Các bằng chứng quan sát hiện nay cho thấy mật độ vật chất trong vũ trụ không đủ lớn để giảm sự giãn nở, mà thậm chí sự giãn nở này sẽ tăng tốc mãi mãi.

Năm 1924, Hubble (1889-1935) nhờ kính thiên văn dài 2,5m trên núi Wilson, lần đầu tiên phát hiện được các sao xepheit trong tinh vân Andromede đã tính toán được khoảng cách của chúng và xác lập được rằng thiên hà này ở ngoài dải Ngân hà. Điều này chứng minh rằng ngoài thiên hà của chúng ta còn tồn tại các thiên hà khác nằm ngoài thiên hà của chúng ta. Năm 1928, ông phát hiện ra rằng các thiên hà có phổ dịch về phía đỏ và khi chấp nhận đó là do hiệu ứng Doppler và từ những quan sát của mình, ông đưa ra một qui luật các thiên hà chuyển động ra xa nhau, thiên hà ở càng xa thì chuyển động càng nhanh: V=H.d (V là vận tốc chạy ra xa của một thiên hà ở khoảng cách d; H, hằng số Hubble, nó có giá trị khoảng 25km/s đối với mỗi triệu năm ánh sáng). Nếu thuyết tương đối là đúng thì điều đó có nghĩa là Vũ trụ đang giãn nở. Đa số các nhà vật lý thiên văn ngày này đều thừa nhận điều này. Theo những quan sát được thực hiện năm 1998 tại Đại học Seattle, thì vũ trụ giãn nở mãi mãi và được gia tốc
Đa vũ trụ?
Có giả thuyết là có nhiều vũ trụ cùng tồn tại, trong một cấu trúc ở mức độ cao hơn gọi là đa vũ trụ. Vũ Trụ của chúng ta chỉ là một trong số các vũ trụ trong đa vũ trụ. Ví dụ, vật chất rơi vào hố đen trong Vũ Trụ của chúng ta sẽ có thể hiện ra thành "Vụ Nổ Lớn" bắt đầu một vũ trụ khác. Tuy vậy các giả thuyết kiểu này hiện không thể có gì kiểm chứng được.