Lý thuyết diện mạo vũ trụ ngày nay là do kết quả của vụ nổ lớn (big bang), dĩ nhiên có rất đông fan hâm mộ. Fan vụ nổ lớn cho rằng lý thuyết của họ được chứng minh bởi bức xạ tàn dư mà công phát hiện và nghiên cứu đã được vinh danh bằng 2 giải Nobel: năm 1978 (Arno Penzias và Robert Wilson Mỹ) và năm 2006 (John Meter và George Smut, cũng Mỹ). Nhưng vụ nổ lớn xảy ra khi nào và đưa đến những giải thích thành công các sự kiện cho hiện tại vật lý thì cho đến bây giờ vẫn còn là câu hỏi.
BÍ ẨN BỨC XẠ TÀN DƯ
Năm 1928, Alexander Fridman đã xây dựng mô hình “vũ trụ dãn nở”. Lý thuyết của ông cho rằng, vũ trụ đã xuất hiện 13,7 tỉ năm về trước từ một quả ‘siêu trứng’ (nói cách khác là điểm kỳ dị, trong trạng thái tới hạn của vũ trụ, chứa một lượng vô hạn năng lượng và vật chất). Vụ nổ đi cùng với sự thoát ra của số lượng vô cùng lớn các hạt nguyên tố. Các ngôi sao sau cùng được hình thành từ ‘nồi cháo hạt yến mạch’ proton-electron này sau đó hình thành các ngôi sao và các thiên hà. Các nhà khoa học tin rằng, vào lúc thôi nôi rất sớm của vũ trụ, nhiệt độ của nó khoảng 3000 độ C, sau đó nó giảm dần và ngày nay đạt đến gần độ 0 tuyệt đối. Điều thú vị là vụ nổ lớn phát sinh không gian vũ trụ từ quả trứng ban đầu lại có kịch bản giống như phép thần thông của kinh thánh cổ người Do Thái Kabbalah, trong huyền thoại người Trung Hoa cổ, người Ai-Cập cổ sarcophagi…
Mô hình Fridman phỏng đoán rằng, sự tiến hoá của vũ trụ có thể diễn ra theo 2 xu hướng: hoặc là nó sẽ nở ra mãi mãi, các vật chất sẽ vĩnh viễn tản ra xa nhau từ cái ‘đà’ ban đầu của vụ nổ, hoặc đến một thời điểm nào đó sẽ có sự thay đổi, pha dãn nở diễn ra chậm lại và sẽ kết thúc, tiếp theo sau là pha co, nghịch đảo của pha dãn nở và kết thúc bằng vụ sụp đổ lớn, cả vũ trụ lúc đó một lần nữa sẽ co lại còn đúng như một chất điểm. Cách thức mà tạo hoá chọn phụ thuộc vào mật độ vật chất tới hạn trong vũ trụ. Nếu mật độ vật chất trong vũ trụ đủ lớn đến một mức nào đó thì sẽ có pha co lại, nếu ít hơn, thì các vì sao dù có đông nghịt trên bầu trời thì cũng sẽ chẳng bao giờ tiến lại gần nhau.
Sau Fridman một năm, Edvin Hubble phát hiện hiện tượng ‘dịch chuyển về vùng bước sóng ánh sáng đỏ’ trong phổ của các thiên hà xa xôi. Ta gọi tắt là dịch chuyển đỏ, sự suy giảm tần số của chúng phụ thuộc vào khoảng cách đến trái đất. Nói một cách chính xác, sự dịch chuyển quang phổ của độ trưng bức xạ các thiên hà ở xa về phía dải quang phổ đỏ đã bị phát hiện từ 15 năm trước bởi một nhà thiên văn người Mỹ tên là V.Slipher. Tuy nhiên, Hubble là người đầu tiên cho rằng, dịch chuyển đỏ là hệ quả của việc các thiên hà chạy ra xa và ông đã đưa ra qui tắc mà sau đó mang tên ông. Theo định luật Hubble, mức độ dịch chuyển đỏ của các vật thể ở xa tỷ lệ với khoảng cách đến người quan sát. Do đó, thiên hà càng xa chúng ta thì chạy xa chúng ta càng nhanh. Mức độ phụ thuộc có thể biểu diễn qua một hằng số gọi là hằng số Hubble. Tại mỗi thời điểm cho trước, hằng số Hubble là đồng nhất cho mọi điểm trong vũ trụ. Tuy nhiên rõ ràng là, vận tốc giãn nở vũ trụ sẽ giảm xuống khi nhiệt độ vũ trụ giảm đi-và hằng số Hubble cũng sẽ giảm.
Như vậy, vụ nổ lớn ban đầu trong mô hình ‘vũ trụ nóng’ đi cùng với bức xạ nguyên thuỷ khổng lồ. Các dấu vết của chúng dù theo bất cứ cách nào hẳn còn tồn tại cho đến ngày nay và sẽ phát hiện được. Người đầu tiên đưa ra giả định về sự tồn tại bức xạ nguyên thuỷ là nhà vật lý Mỹ, người Nga di cư George Gamov, còn người đưa ra khái niệm chính xác ‘bức xạ tàn dư’ lần đầu tiên là nhà khoa học Liên Xô, viện sĩ hàn lâm I.Shklovsky.
Vào năm đầu những năm 1950, kỹ sư T.Shmaonov khi thử nghiệm một mẫu an-ten mới đã phát hiện những tín hiệu lạ từ khoảng không vũ trụ ở bước sóng 3 cm. Ông đã đăng phát hiện của mình trên tạp chí “Thiết bị và Kỹ thuật thử nghiệm”. Nhưng bài báo đó đã không làm các nhà vật lý thiên văn chú ý, một phần bởi tạp chí đó không phải là loại mà họ quan tâm. Tuy nhiên, như sau này bức xạ tàn dư được khẳng định, thì ông là người đầu tiên đã phát hiện ra nó. (Tạp chí Khoa học-Cuộc sống, số 6 năm 2009).
Nghiên cứu về bức xạ tàn dư và các lý thuyết được các nhà khoa học tiến hành song song cùng lúc ở nhiều nơi. Vào đầu những năm 1960 các nhà khoa học Liên Xô A.Doroshkevich và I.Novikov đã tính toán được bức xạ tàn dư phải nằm ở dải tần số nào và làm thế nào để tìm kiếm chúng. Hai ông đồng thời cũng tiên đoán trước các các đặc điểm của chúng. Tuy nhiên giải Nobel 1978 lại được trao cho người khác không có liên quan gì, chỉ tình cờ lặp lại phát hiện nó từ đầu những năm 1950.
Năm 1980 là những cuộc bàn luận về cấu trúc phổ hẹp của bức xạ tàn dư. Những quan sát gần đúng đầu tiên cho thấy chúng là đồng đều và đẳng hướng. Viện sĩ A.D.Saharov đã đưa ra những dự đoán theo dao động lượng tử. Dự đoán đó đã được chứng minh là đúng khi các nhà khoa học của Viện nghiên cứu vũ trụ Liên Xô I.Strukov và M.Sazhin cùng các đồng nghiệp tiến hành các thực nghiệm tiên phong bằng vệ tinh Relic kiểm tra tính không đồng nhất của bức xạ tàn dư. Kết quả thực nghiệm đã được đăng tải trên các tạp chí khoa học, kể cả ở Mỹ. Thực nghiệm như thế cũng đã được các nhà khoa học Mỹ sau đó tiến hành lại một số lần nữa bằng các thiết bị hiện đại hơn và cho ra kết quả tương tự các nhà khoa học Liên Xô trước đó. Dù vậy, giải Nobel năm 2006 lại được trao cho các nhà khoa học Mỹ vì “khám phá phổ bức xạ vật đen trong bức xạ tàn dư và tính không đẳng hướng của bức xạ này". Kể cũng thật bất công nhưng người Nga vẫn thế, họ chẳng thèm kiện cáo khiếu nại gì.
Cho dù vậy thì thực tế lý thuyết vụ nổ lớn đã làm dấy lên quan ngại ở nhiều góc độ. Mặt khác, một trong những người tiên phong đưa ra khái niệm vụ nổ lớn, nhà khoa học đoạt giải Nobel Frederick Hoyle lại không tin tưởng vào lý thuyết này. Lý thuyết vụ nổ lớn làm dấy lên rất nhiều nghịch lý nhưng lại không thể giải quyết chúng.
Những năm 1970, khởi đầu là viện sĩ, nhà khoa học Liên Xô B.Zeldovich và các nhà khoa học Mỹ đã xây dựng mô hình máy tính mô phỏng sự phân tán vật chất trong vũ trụ. Họ phát hiện các thiên hà thường tập hợp với nhau trong các siêu thiên hà và chiếm một khoảng không gian như một cụm có cấu trúc mạng lưới nào đó có bước 100 triệu năm ánh sáng. Bên trong mạng lưới là khoảng không gian tương đối trống rỗng. Khoảng không vũ trụ xuất hiện trong cấu trúc. Quan sát cho thấy, trong phạm vi 1 tỷ năm ánh sáng vật chất phân bố trong không gian là hoàn toàn đồng nhất. Sẽ không phân biệt được là nhìn vào đâu khi mọi nơi trong vũ trụ là giống nhau. Kết quả “phân tán của một vụ nổ”, vật chất sẽ phải phân bố khác biệt một chút.
Uy tín của những người ủng hộ thuyết “vũ trụ dãn nở” Fridman và thuyết vụ nổ lớn đã bị suy yếu một chút. Thật thú vị khi cùng lúc đó, kết quả cấu trúc vũ trụ lại được các nhà khoa học Nga phát hiện khi nghiên cứu các đối tượng sinh vật học: các cụm tảo đơn bào trong bể nuôi hay sự sắp xếp 3 chiều của cây cối, hay cấu trúc tế bào lại tương tự như phân bố các siêu thiên hà trong không gian.