Mô hình tuần hoàn của vũ trụ: sự thoái hóa của vật chất xảy ra không ngừng

2024 Tác giả: Seth Attwood | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2023-12-16 16:20

Vào đầu những năm 2000, hai nhà vật lý từ Đại học Princeton đã đề xuất một mô hình vũ trụ, theo đó Vụ nổ lớn không phải là một sự kiện duy nhất, mà không thời gian đã tồn tại từ rất lâu trước khi vũ trụ ra đời.

Trong mô hình tuần hoàn, vũ trụ trải qua một chu kỳ tự duy trì vô hạn. Vào những năm 1930, Albert Einstein đưa ra ý tưởng rằng vũ trụ có thể trải qua một chu kỳ vô tận của các vụ nổ lớn và nén lớn. Sự giãn nở của vũ trụ của chúng ta có thể là kết quả của sự sụp đổ của vũ trụ tiền nhân. Trong khuôn khổ của mô hình này, chúng ta có thể nói rằng Vũ trụ đã được tái sinh từ cái chết của người tiền nhiệm của nó. Nếu đúng như vậy, thì Vụ nổ lớn không phải là một cái gì đó độc đáo, nó chỉ là một vụ nổ nhỏ giữa vô số vụ nổ khác. Lý thuyết tuần hoàn không nhất thiết phải thay thế lý thuyết Vụ nổ lớn; thay vào đó, nó cố gắng trả lời các câu hỏi khác: ví dụ, điều gì đã xảy ra trước Vụ nổ lớn và tại sao Vụ nổ lớn lại dẫn đến một thời kỳ mở rộng nhanh chóng?

Một trong những mô hình vũ trụ theo chu kỳ mới được Paul Steinhardt và Neil Turok đề xuất vào năm 2001. Steinhardt đã mô tả mô hình này trong bài báo của mình, được gọi là Mô hình tuần hoàn của trường đại học. Trong lý thuyết dây, màng, hay "brane", là một vật thể tồn tại trong một số chiều không gian. Theo Steinhardt và Turok, ba chiều không gian mà chúng ta nhìn thấy tương ứng với những hình não này. Hai tấm hình 3D có thể tồn tại song song, ngăn cách nhau bởi một chiều bổ sung, ẩn. Những chiếc não này - có thể coi chúng như những tấm kim loại - có thể di chuyển dọc theo chiều không gian phụ này và va chạm với nhau, tạo ra Vụ nổ lớn, và do đó là các vũ trụ (giống như vũ trụ của chúng ta). Khi chúng va chạm, các sự kiện diễn ra theo mô hình Big Bang tiêu chuẩn: vật chất nóng và bức xạ được tạo ra, lạm phát nhanh xảy ra, và sau đó mọi thứ nguội đi - và các cấu trúc như thiên hà, sao và hành tinh được hình thành. Tuy nhiên, Steinhardt và Turok cho rằng luôn có một số tương tác giữa các não này, mà họ gọi là giữa các não: nó kéo chúng lại với nhau, khiến chúng va chạm một lần nữa và tạo ra vụ nổ Big Bang tiếp theo.

Tuy nhiên, mô hình của Steinhardt và Turok thách thức một số giả định của mô hình Vụ nổ lớn. Ví dụ, theo họ, Vụ nổ lớn không phải là sự khởi đầu của không gian và thời gian, mà là sự chuyển đổi từ một giai đoạn tiến hóa trước đó. Nếu chúng ta nói về mô hình Big Bang, thì nó nói rằng sự kiện này đã đánh dấu sự khởi đầu ngay lập tức của không gian và thời gian như vậy. Ngoài ra, trong chu kỳ va chạm này, cấu trúc quy mô lớn của Vũ trụ phải được xác định bởi giai đoạn nén: nghĩa là, điều này xảy ra trước khi chúng va chạm và Vụ nổ lớn tiếp theo xảy ra. Theo lý thuyết Vụ nổ lớn, cấu trúc quy mô lớn của vũ trụ được xác định bởi một giai đoạn giãn nở nhanh chóng (lạm phát), diễn ra ngay sau vụ nổ. Hơn nữa, mô hình Vụ nổ lớn không dự đoán vũ trụ sẽ tồn tại trong bao lâu, và trong mô hình Steinhardt, thời gian của mỗi chu kỳ là khoảng một nghìn tỷ năm.

Điều tốt về mô hình tuần hoàn của Vũ trụ là, không giống như mô hình Vụ nổ lớn, nó có thể giải thích cái gọi là hằng số vũ trụ. Độ lớn của hằng số này liên quan trực tiếp đến sự giãn nở gia tốc của Vũ trụ: nó giải thích tại sao không gian lại mở rộng nhanh chóng như vậy. Theo quan sát, giá trị của hằng số vũ trụ là rất nhỏ. Cho đến gần đây, người ta tin rằng giá trị của nó nhỏ hơn 120 bậc độ lớn so với dự đoán của lý thuyết Vụ nổ lớn tiêu chuẩn. Sự khác biệt giữa quan sát và lý thuyết này từ lâu đã trở thành một trong những vấn đề lớn nhất trong vũ trụ học hiện đại. Tuy nhiên, cách đây không lâu, người ta đã thu được dữ liệu mới về sự mở rộng của Vũ trụ, theo đó nó đang mở rộng nhanh hơn người ta nghĩ trước đây. Vẫn phải chờ những quan sát mới và xác nhận (hoặc bác bỏ) dữ liệu đã thu được.

Steven Weinberg, người đoạt giải Nobel năm 1979, cố gắng giải thích sự khác biệt giữa quan sát và dự đoán một mô hình bằng cách sử dụng cái gọi là nguyên tắc nhân học. Theo ông, giá trị của hằng số vũ trụ là ngẫu nhiên và khác nhau ở các phần khác nhau của Vũ trụ. Chúng ta không nên ngạc nhiên rằng chúng ta đang sống trong một khu vực hiếm hoi mà chúng ta quan sát thấy một giá trị nhỏ của hằng số này, vì chỉ với giá trị này, các ngôi sao, hành tinh và sự sống mới có thể phát triển. Tuy nhiên, một số nhà vật lý không hài lòng với lời giải thích này do thiếu bằng chứng cho thấy giá trị này là khác nhau ở các vùng khác trong Vũ trụ quan sát được.

Một mô hình tương tự đã được phát triển bởi nhà vật lý người Mỹ Larry Abbott vào những năm 1980. Tuy nhiên, trong mô hình của ông, sự giảm hằng số vũ trụ xuống các giá trị thấp quá lâu đến mức tất cả vật chất trong Vũ trụ trong một khoảng thời gian như vậy sẽ phân tán trong không gian, thực tế là trống rỗng. Theo mô hình vũ trụ theo chu kỳ của Steinhardt và Turok, lý do tại sao giá trị của hằng số vũ trụ lại nhỏ như vậy là ban đầu nó rất lớn, nhưng theo thời gian, với mỗi chu kỳ mới, nó lại giảm đi. Nói cách khác, với mỗi vụ nổ lớn, lượng vật chất và bức xạ trong Vũ trụ là "bằng không", nhưng không phải là hằng số vũ trụ. Qua nhiều chu kỳ, giá trị của nó đã giảm xuống và ngày nay chúng ta quan sát chính xác giá trị này (5, 98 x 10-10 J / m3).

Trong một cuộc phỏng vấn, Neil Turok đã nói về mô hình vũ trụ tuần hoàn của anh và Steinhardt như sau:

“Chúng tôi đã đề xuất một cơ chế trong đó lý thuyết siêu dây và lý thuyết M (lý thuyết kết hợp tốt nhất của chúng tôi về lực hấp dẫn lượng tử) cho phép vũ trụ đi qua Vụ nổ lớn. Nhưng để hiểu liệu giả định của chúng tôi có hoàn toàn nhất quán hay không, cần phải nghiên cứu thêm về lý thuyết."

Các nhà khoa học hy vọng rằng với sự phát triển của công nghệ, sẽ có cơ hội để kiểm tra lý thuyết này cùng với những lý thuyết khác. Vì vậy, theo mô hình vũ trụ tiêu chuẩn (ΛCDM), một thời kỳ được gọi là lạm phát diễn ra ngay sau vụ nổ Big Bang, khiến vũ trụ tràn ngập sóng hấp dẫn. Vào năm 2015, một tín hiệu sóng hấp dẫn đã được ghi lại, hình dạng của tín hiệu này trùng với dự đoán của Thuyết tương đối rộng về sự hợp nhất của hai lỗ đen (GW150914). Năm 2017, các nhà vật lý Kip Thorne, Rainer Weiss và Barry Barish đã được trao giải Nobel cho khám phá này. Cũng sau đó, sóng hấp dẫn được ghi lại phát ra từ sự kiện hợp nhất của hai sao neutron (GW170817). Tuy nhiên, sóng hấp dẫn từ lạm phát vũ trụ vẫn chưa được ghi nhận. Hơn nữa, Steinhardt và Turok lưu ý rằng nếu mô hình của họ là chính xác, thì những sóng hấp dẫn như vậy sẽ quá nhỏ để được "phát hiện".