Vũ trụ(Một số bài chi tiết)
Lý thuyết Vụ Nổ Lớn
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.
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 × 10
9
) 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.
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 × 10
23

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 × 10
33
năm ánh sáng khối (coi như
vùng vũ trụ này có hình cầu). Vũ trụ quan sát được chứa khoảng 7 × 10
22
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
[cần dẫn nguồn]
. 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 đạc 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) 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. 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 (
4
He) (24% khối lượng tổng cộng) cùng với một chút các nguyên tố hóa học còn lại. Một
lượng nhỏ là đồng vị đơtơri,
3
He và liti (
7
Li). 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 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. Mật độ của nền neutrino
ngày nay vào khoảng 150 hạt trên xentimét khối.
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 (4πR
2

); 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
(2π
2
R
3
). 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 của vũ trụ
Tương lai của vũ trụ và Giả thiết về sự kết thúc của vũ trụ
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 nay 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
(en:multiverse). 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. Ngoài ra vì vũ trụ
rộng lớn hơn mấy tỷ năm ánh sáng nên chúng ta không có đủ nguyên liệu để tìm hiểu xem sức lớn
của vũ trụ.
Tuy nhiên, theo tính toán thì có giả thiết cho rằng có tất cả 4 mức đa vũ trụ
[8]
. Tự nhiên luôn tuân
theo một quy luật nhất định từ vi mô đến vĩ mô vũ trụ cũng không nằm ngoài quy luật này. Ta
tưởng vũ trụ của chúng ta là một nguyên tử thì các hành tinh của vũ trụ chúng ta là các electron
chuyển động theo các quỹ đạo xác định và trung tâm của vũ trụ chúng ta cũng như nhân của phân tử
theo thuyết này thì vũ trụ mà ta đang sống là một không gian vô hạn không xác định được trong đó
luôn tồn tại các hệ vũ trụ khác nhau.
Phản vũ trụ
Phản vũ trụ (phản thế giới) là giả thiết về một vũ trụ cấu thành bởi các thành phần phản vật chất, có
thể tuân theo những nguyên tắc vật lý khác với các nguyên tắc vật lý chúng ta hiện có. Phản vũ trụ
là một không gian được cấu thành từ các thành phần phản vật chất. Nó không có những tính chất
vật lý như chúng ta đã biết. Tính chất của phản vũ trụ hoàn toàn trái ngược với vũ trụ của chúng ta.
Nó tồn tại song song với vũ trụ của chúng ta nhưng cách xa. Nó được hình thành cùng với vụ nổ
lớn. Trường hợp khi phản vũ trụ trên gần với vũ trụ chúng ta thì sẽ tạo nên một không gian mới đó
là không gian phi vật chất, khi đó vũ trụ chúng ta sẽ biến mất.