Câu hỏi về nguồn gốc của vật chất trong vũ trụ, liệu nó xuất hiện từ hư không hay đã tồn tại từ trước, luôn là một trong những thắc mắc lớn nhất của nhân loại. Các nhà khoa học hàng đầu thế giới vẫn đang tìm kiếm câu trả lời hoàn chỉnh, và hiện tại, chúng ta chỉ có một số lý thuyết dựa trên các nguyên tắc của cơ học lượng tử, năng lượng điểm chân không và những khái niệm tương tự.
Vật Chất Xuất Hiện Từ Hư Không Theo Các Lý Thuyết Khoa Học
Theo các lý thuyết này, nguồn gốc của vật chất trong vũ trụ có thể được cho là đến từ hư không. Để hiểu rõ hơn, chúng ta không thể bỏ qua phương trình nổi tiếng của Einstein: E=MC^2. Dù đơn giản, phương trình này lại hé mở một bí ẩn sâu sắc của vũ trụ, đó là sự tương đương giữa khối lượng và năng lượng, và chúng có thể chuyển đổi lẫn nhau. Vật chất trong vũ trụ được hình thành từ năng lượng, và trong những điều kiện khắc nghiệt, nó có thể biến đổi trở lại thành năng lượng và biến mất. Đây là quy luật sinh tử của vũ trụ.
Mô Hình Vụ Nổ Lớn: Sự Hình Thành Vũ Trụ
Mô hình vũ trụ Vụ Nổ Lớn (Big Bang) đã trở thành mô hình chuẩn của vũ trụ học hiện đại. Các nhà thiên văn học và vũ trụ học trên toàn thế giới đều công nhận rằng sự giãn nở từ một điểm kỳ dị đã tạo nên vũ trụ như chúng ta thấy ngày nay. Vụ Nổ Lớn xảy ra cách đây 13.8 tỷ năm, sau đó là một giai đoạn giãn nở cực nhanh. Hiện tại, vũ trụ vẫn đang tiếp tục giãn nở với tốc độ nhanh hơn cả tốc độ ánh sáng, tạo nên một vũ trụ quan sát được với đường kính khoảng 93 tỷ năm ánh sáng.
Tuy nhiên, không phải mọi vị trí trong vũ trụ đều giãn nở nhanh hơn tốc độ ánh sáng. Tốc độ này chỉ đề cập đến sự giãn nở của toàn bộ vũ trụ. Ở rìa của vũ trụ quan sát được, cách chúng ta 46.5 tỷ năm ánh sáng, các thiên hà đang di chuyển ra xa chúng ta với tốc độ vượt quá tốc độ ánh sáng.
Điểm kỳ dị, nơi ranh giới giữa sự tồn tại và không tồn tại, được biểu thị bằng thể tích vô cùng nhỏ, mật độ vô hạn, độ cong vô hạn và nhiệt độ vô hạn, nơi không-thời gian kết thúc. Vậy, điểm kỳ dị này là gì và nó đã xuất hiện như thế nào?
Điểm Kỳ Dị: Từ Hư Không Đến Vũ Trụ
Từ góc độ vĩ mô, điểm kỳ dị có vẻ như là một điều gì đó xuất hiện từ hư không. Thuyết tương đối rộng dự đoán rằng các điểm kỳ dị như vậy chắc chắn sẽ xảy ra khi vật chất bị nén lại trong một trường hấp dẫn cực lớn, chịu ảnh hưởng của các quá trình lượng tử, và sụp đổ vào một chiều không-thời gian khác, ví dụ như điểm kỳ dị của lỗ đen.
Mặt khác, Vụ Nổ Lớn cũng có thể là kết quả của sự phục hồi từ một chiều không-thời gian khác. Trong ý nghĩa này, điểm kỳ dị là một dạng siêu không-thời gian, không còn thuộc về không-thời gian của vũ trụ chúng ta. Điểm kỳ dị có thể được xem như một sự mở rộng từ một chiều không-thời gian khác sang không-thời gian của chúng ta, cho thấy vũ trụ có thể được tạo ra từ hư không.
Giải Thích Của Cơ Học Lượng Tử: Nguyên Lý Bất Định Và Năng Lượng Điểm Chân Không
Có hai lý thuyết của cơ học lượng tử hiện đại giải thích cho hiện tượng này: nguyên lý bất định Heisenberg và lý thuyết năng lượng điểm chân không.
Nguyên lý bất định Heisenberg khẳng định rằng, ở cấp độ vi mô, không thể xác định chính xác vị trí và động lượng của một hạt cùng một lúc. Từ đó, người ta suy luận rằng, ngay cả khi nhiệt độ giảm xuống độ không tuyệt đối, các hạt vẫn sẽ dao động. Nếu không, nguyên lý bất định sẽ bị vi phạm.
Điều này có nghĩa là, ngay cả khi vũ trụ biến mất, không còn không-thời gian, chỉ còn lại chân không tuyệt đối, vẫn sẽ có sự chuyển động của các hạt và do đó, có năng lượng. Đây chính là nguồn gốc của năng lượng điểm chân không. Trong chân không tuyệt đối, những năng lượng này tồn tại dưới dạng các bong bóng lượng tử, xuất hiện ngẫu nhiên dưới dạng các hạt ảo. Các hạt ảo này thường xuất hiện thành từng cặp dương và âm, hay là vật chất và phản vật chất. Khi chúng gặp nhau, chúng sẽ triệt tiêu nhau và biến mất sau khi giải phóng năng lượng.
Tuy nhiên, thế giới không hoàn hảo và đối xứng tuyệt đối. Các nhà vật lý đã phát hiện ra rằng có những vi phạm của sự bất đối xứng, tạo ra sự thay đổi liên tục của thế giới. Một trong những ví dụ điển hình là “Định luật không bảo toàn chẵn lẻ” được phát hiện bởi Dương Chấn Ninh, Lý Chính Đạo và Ngô Kiện Hùng, đã giành giải Nobel Vật lý năm 1957.
Vụ Nổ Lớn: Từ Dao Động Lượng Tử Đến Sự Hình Thành Vũ Trụ
Các nhà khoa học đưa ra một giải thích đột phá về Vụ Nổ Lớn: các cặp hạt ảo xuất hiện ngẫu nhiên trong các dao động lượng tử sẽ không triệt tiêu 100% mà sẽ chuyển thành một điểm kỳ dị vũ trụ. Vũ trụ của chúng ta đã phát nổ từ điểm kỳ dị này, và có thể có nhiều vũ trụ khác cũng xuất phát từ đó. Năng lượng kỳ dị bị phá vỡ, nhưng không bị triệt tiêu, không thể trở về hư không mà chỉ có thể giãn nở, tạo ra Vụ Nổ Lớn.
Vụ Nổ Lớn là một vụ nổ cực kỳ nóng và đặc, ban đầu chỉ có năng lượng. Trong vòng 1 giây sau Vụ Nổ Lớn, vũ trụ đã trải qua giai đoạn lạm phát. Các hạt như graviton, gluon, quark, boson, lepton, proton, neutron và các phản hạt của chúng lần lượt xuất hiện. Các lực tương tác mạnh và yếu cũng tách ra.
Sau 384,000 năm giãn nở và nguội đi, vũ trụ đủ lớn để các nguyên tử trung hòa xuất hiện. Vũ trụ vượt qua thời kỳ đen tối và ánh sáng đầu tiên xuất hiện. Các vật chất thông thường cấu tạo từ nguyên tử cũng hình thành. Các chất sớm nhất là các nguyên tố đơn giản như hydrogen, helium và một lượng nhỏ lithium. Những chất nhẹ này dần tập hợp thành các đám mây bụi, dưới tác dụng của trọng lực, sau đó co lại và sụp đổ, tạo thành các ngôi sao và thiên hà.
Các ngôi sao sơ khai có kích thước lớn, nên vòng đời ngắn. Trong quá trình tổng hợp hạt nhân của sao và các vụ nổ siêu tân tinh liên tục, các nguyên tố nặng hơn dần được tạo ra. 118 nguyên tố được biết đến đã dần hình thành. Chính những nguyên tố này đã cấu tạo nên tất cả vật chất trong vũ trụ và tất cả sinh vật trên hành tinh chúng ta.
Kết Luận: Năng Lượng Tiềm Ẩn Trong Chân Không
Trong ý nghĩa này, vật chất của vũ trụ đã tồn tại trước khi vũ trụ được sinh ra. Trước khi vũ trụ hình thành, những năng lượng này được lưu trữ trong chân không. Chính năng lượng điểm chân không khổng lồ này đã biến đổi các chất khác nhau, phù hợp với định luật chuyển đổi khối lượng-năng lượng được thể hiện qua phương trình của Einstein. Câu hỏi liệu vũ trụ được tạo ra từ hư không hay không vẫn còn là một chủ đề nghiên cứu sâu rộng, nhưng các lý thuyết khoa học hiện tại đã mang đến những góc nhìn mới mẻ và đầy hấp dẫn.