Những con số làm nên vũ trụ - Phần 81

Nghiệm Friedmann, Mật độ tới hạn, và Omega

Nghiệm Friedmann cho EFE có lẽ không được Einstein chú ý tới khi nó được công bố, nhưng nó là trung tâm bàn cãi của số phận của vũ trụ. Việc suy luận ra nghiệm từ EFE nằm ngoài phạm vi của quyển sách này – và tôi cũng không chắc bản thân mình có đủ kiến thức toán để mà làm việc đó – nhưng cái quan trọng là kết quả. Nếu chúng ta giả sử có được nghiệm Friedmann – trong đó, vũ trụ có thể có độ cong dương, âm, hoặc bằng không – thì chẳng còn việc gì nhiều để tìm giá trị cho mật độ tới hạn xác định số phận tối hậu của vũ trụ. Thật vậy, tính toán diễn ra sau đó thật dễ nên giáo viên giảng dạy năm nhất có thể lấy nó làm bài tập ra đề thi.

Friedmann bắt đầu với EFE như Einstein đã viết, bao gồm hằng số vũ trụ.

Thực tế μ và ν nhận các giá trị 0, 1, 2 và 3 có thể ví với một bảng phương trình gồm 4 hàng và 4 cột. Friedmann đã giải với phương trình trong bảng phương trình Einstein có mn đều bằng không. Sau nhiều tính toán theo tôi nghĩ là rất phức tạp, ông đơn giản phương trình này thành như sau

H, Gc là những người bạn cũ: hằng số Hubble, hằng số hấp dẫn, và tốc độ ánh sáng. L là hằng số vũ trụ học, ρ là mật độ trung bình trong toàn vũ trụ, a là một hàm theo thời gian gọi là hệ số tỉ lệ, nhưng ngày nay có thể cho nhận giá trị bằng 1. Friedmann tiếp tục đơn giản bài toán bằng cách giả sử k = 0 (hóa ra đó là cái kinh nghiệm cho thấy), và đồng thời Λ = 0. Phương trình trên đơn giản thành

Phương trình này có thể giải được dễ dàng theo ρ, thu được giá trị ρ = 3H2 / 8πG cho mật độ tới hạn; nếu chúng ta thay những giá trị mới nhất cho GH, ta thu được một mật độ tới hạn khoảng 5 nguyên tử hydrogen trên mỗi mét khối. Con số này hết sức nhỏ - bất kì ai cũng sẽ nói được rằng lực hấp dẫn được sinh ra sẽ quá nhỏ nên về cơ bản là không tồn tại – tuy nhiên, giá trị đó là đủ lớn rồi. Mật độ này được gọi là mật độ tới hạn – mật độ của vũ trụ là phẳng và không giãn nở - và thường được kí hiệu là ρc.

Omega là tỉ số có tử số là mật độ thực tế và mẫu số là mật độ tới hạn: Ωρ / ρc. Vì thế, theo Friedmann, giá trị của Ω sẽ cho chúng ta biết vũ trụ sẽ co lại, xảy ra nếu Ω > 1, hoặc là giãn nở. Điểm mấu chốt là tìm cho được mật độ vật chất của vũ trụ.

Vật chất tối, bức xạ và hằng số vũ trụ học

Có lẽ chúng ta đã ở thời điểm thích hợp để xác định có bao nhiêu vật chất nhìn thấy trong vũ trụ. Các kính thiên văn của chúng ta hoạt động cực kì tốt, và chúng ta có thể phát hiện ra các thiên hà ở xa gần 13 tỉ năm ánh sáng, và chúng ta có thể ngoại suy giá trị mật độ để có chút ý niệm về tổng lượng vật chất nhìn thấy. Như đã lưu ý ở phần trước, chỉ có khoảng 5 nguyên tử hydrogen trong mỗi mét khối, chỉ bằng khoảng 4% khối lượng cần biết để đạt tới mật độ tới hạn.

Tuy nhiên, tổng thể vũ trụ có vẻ được cấu tạo bởi vật chất tối. Kể từ thập niên 1970,   bằng chứng bắt đầu tích lũy rằng mỗi thiên hà được vây quanh bởi một quầng vật chất tối. Bằng chứng này dưới dạng vận tốc của những ngôi sao ở xa trong thiên hà đối với khối tâm của thiên hà; những vận tốc này không khớp với giá trị tính được nếu khối lượng trong thiên hà chỉ là cái chúng ta nhìn thấy. Cái chúng ta nhìn thấy không phải là cái chúng ta thu được, chẳng hạn bằng cách đo hấp dẫn. Có nhiều khối lượng trong các thiên hà hơn cái giải thích được chỉ bởi vật chất nhìn thấy.

Có nhiều lí thuyết cho bản chất của vật chất tối. Những lí thuyết này đa dạng từ cái trần tục (vật chất quen thuộc nhưng không bức xạ, giống như những viên đá thực sự tối tăm), cho đến xa lạ (các lí thuyết hạt siêu đối xứng thừa nhận cả một họ vật chất mới chưa ai từng nhìn thấy). Tuy nhiên, đó là chuyện cần lo của các nhà vật lí, còn nhà vũ trụ học (và những ai trong chúng ta nín thở chờ xác định số phận cuối cùng của vũ trụ) chỉ quan tâm nó chứa bao nhiêu thôi. Liệu có đủ vật chất tối để đưa Ω lên quá 1, buộc vũ trụ co lại, hay là không?

Ước tính tốt nhất hiện nay là không có đủ vật chất, dù là sáng, tối hay bất kì cái gì khác, làm được việc đó. Tuy nhiên, mật độ vật chất của vũ trụ chưa phải là toàn bộ vấn đề - còn vấn đề năng lượng nữa. Có rất nhiều bức xạ trong vũ trụ; bức xạ là năng lượng, và thuyết tương đối hẹp Einstein cho chúng ta biết mối liên hệ giữa vật chất và năng lượng là E = mc2, hay m = E / c2. Vì thế, năng lượng cũng phải được tính đến trong omega.

Cuối cùng, hằng số vũ trụ học thật ra chẳng bằng không – theo các phép đo mới nhất thì nó bằng 0,7 – nhưng nó cũng có tác dụng làm tăng mật độ vật chất và năng lượng trong vũ trụ. Kết quả là tỉ số Ω bằng đâu đó giữa 0,98 và 1,1. Con số 1 nằm trong ngưỡng đó, và có lập luận hấp dẫn cho rằng vũ trụ đã được điều chỉnh tinh vi sao cho Ω chính xác bằng 1.

Những con số làm nên vũ trụ
James D. Stein
<< Phần trước | Phần tiếp theo >>

Vui lòng ghi rõ "Nguồn Thuvienvatly.com" khi đăng lại bài từ CTV của chúng tôi.

Nếu thấy thích, hãy Đăng kí để nhận bài viết mới qua email
Tin tức vật lý
Extension Thuvienvatly.com cho Chrome

Thêm ý kiến của bạn

Security code
Refresh

Các bài khác


Lỗ đen thật ra có thể là lỗ sâu đục đang va chạm
14/07/2018
Khi hai lỗ sâu đục va chạm nhau, chúng tạo ra những gợn lăn tăn trong không-thời gian lan tỏa ra mọi phía. Theo một nghiên cứu
Phải chăng các nhà thiên văn đã tìm thấy khối lượng mất tích của vũ trụ?
10/07/2018
Vào thập niên 1960, các nhà thiên văn bắt đầu để ý thấy Vũ trụ dường như thiếu mất một phần khối lượng. Giữa các quan
Vì sao một số vết nứt đẩy nhau ra?
22/06/2018
Một nghiên cứu lí thuyết về sự lan truyền vết nứt đem lại một lời giải thích cho sự đẩy nhau mà người ta quan sát thấy
Vật lí Lượng tử Tốc hành (Phần 14)
22/06/2018
Các số lượng tử Số lượng tử chính mô tả mức năng lượng của các lớp vỏ electron không phải là cách duy nhất để chúng
Vật lí Lượng tử Tốc hành (Phần 13)
21/06/2018
Cấu trúc nguyên tử Mô hình nguyên tử mà Bohr và Rutherford mô tả là khá đơn giản, với một hạt nhân nguyên tử tại trung tâm,
Các va chạm hạt bên trong LHC trông như thế nào?
20/06/2018
Nếu hai proton va chạm ở tốc độ bằng 99,9999991% tốc độ ánh sáng thì chúng có tạo ra âm thanh hay không? Máy Va chạm Hadron
Những bài học thiên văn ngắn (Phần 3)
18/06/2018
Trái Đất quay tròn xung quanh Mặt Trời theo một vòng trònMô hình nhật tâm sơ khai Là nhà thiên văn học và nhà toán học xứ
Những bài học thiên văn ngắn (Phần 2)
18/06/2018
Rõ ràng Trái Đất không chuyển độngMô hình địa tâm Là một trong những nhà triết học có sức ảnh hưởng nhất ở phương

Chúng tôi hiện có hơn 60 nghìn tài liệu để bạn tìm

360 độ

Vật lý 360 độ là trang tin nhanh, trao đổi chuyên đề vật lý và các khoa học khác cũng như các nội dung liên quan đến dạy và học.
Hi vọng các bạn giúp chúng tôi bằng cách đăng kí làm CTV.
Liên hệ: banquantri@thuvienvatly.com