Nguồn gốc vật chất trong vũ trụ: Từ hư không đến cấu trúc hiện hữu

Câu hỏi về việc vật chất xuất hiện như thế nào — liệu nó đến từ ‘‘hư không’’ hay đã tồn tại từ trước — vẫn là một trong những đề tài cơ bản khiến các nhà vật lý và vũ trụ học phải suy nghĩ. Có nhiều cách tiếp cận để hiểu hiện tượng này: nhìn ở quy mô lớn (vũ trụ học cổ điển) cho thấy một khoảnh khắc xuất phát rõ rệt; còn ở quy mô vi mô, cơ học lượng tử gợi ý rằng chân không không hề tĩnh. Bài viết tổng hợp hai lăng kính đó và giải thích mối liên hệ giữa năng lượng và vật chất dựa trên các lý thuyết đã được trình bày trong nguồn tham khảo gốc.

Hai cách nhìn: điểm kỳ dị lớn và chân không lượng tử

Có thể tách vấn đề thành hai khuôn khổ tư duy khác nhau nhưng bổ sung cho nhau. Ở mức vĩ mô, mô hình Vụ Nổ Lớn (Big Bang) mô tả một điểm kỳ dị ban đầu từ đó vũ trụ giãn nở và mát dần. Ở mức vi mô, nguyên lý bất định của cơ học lượng tử cùng khái niệm năng lượng chân không cho thấy ngay cả trong ‘‘chân không’’ vẫn tồn tại dao động và các cặp hạt ảo xuất hiện-ngắt khỏi chân không theo kiểu ngẫu nhiên.

Điểm kỳ dị và sự khởi nguyên của không-thời gian

Theo diễn giải vũ trụ học, một điểm kỳ dị là vùng mà các đại lượng như mật độ và độ cong không-thời gian có thể trở nên vô hạn. Trong khuôn khổ tương đối rộng, đó là nơi mà mô tả không-thời gian thông thường bị phá vỡ. Từ góc nhìn này, Vụ Nổ Lớn khởi nguồn từ một trạng thái mà khái niệm không-thời gian của chúng ta chưa tồn tại; vũ trụ như chúng ta thấy là kết quả của sự mở rộng từ trạng thái đó.

Điểm kỳ dị bắt đầu từ vụ nổ lớn cách đây 13,8 tỷ năm.

Chân không không phải là ‘‘trống rỗng’’

Khái niệm chân không trong cơ học lượng tử khác xa với ý niệm thường nhật về khoảng không hoàn toàn trống. Nguyên lý bất định của Heisenberg đòi hỏi rằng không thể đồng thời biết chính xác vị trí và động lượng của một hệ, dẫn đến hệ quả là ngay cả ở nhiệt độ thấp nhất (gần 0 tuyệt đối) vẫn tồn tại dao động lượng tử. Những dao động này biểu hiện dưới dạng năng lượng chân không — một lớp trạng thái năng lượng tồn tại trong khoảng không, xuất hiện dưới hình thức các cặp hạt ảo dương và phản của chúng.

Có thể nói rang giới giữa một điểm tồn tại và không tồn tại được gọi là điểm kỳ dị.

Từ năng lượng đến vật chất: vai trò của tương đương khối lượng-năng lượng

Phương trình E = MC^2 phản ánh mối liên hệ cơ bản giữa năng lượng và khối lượng: năng lượng có thể chuyển hóa thành vật chất và ngược lại. Khi xem xét các dao động trong chân không, các cặp hạt ảo xuất hiện rồi nhanh chóng triệt tiêu lẫn nhau; nhưng nếu tồn tại những cơ chế bất đối xứng, một phần năng lượng có thể chuyển thành vật chất thật sự thay vì bị hủy hoàn toàn. Đây là một trong những ý tưởng dùng để liên kết chân không lượng tử với nguồn gốc vật chất trong vũ trụ.

Bất đối xứng và sinh ra vật chất tích cực

Nếu thế giới hoàn toàn đối xứng, các hạt ảo sẽ sinh-phi sinh hoàn toàn cân bằng và không để lại vật chất dư thừa. Tuy nhiên, thực tế cho thấy có những vi phạm đối xứng trong tự nhiên; những vi phạm này tạo ra sự khác biệt giữa vật chất và phản vật chất theo thời gian. Khi các quá trình lượng tử không triệt tiêu hoàn toàn, năng lượng dư thừa có thể mở rộng và dẫn tới một quá trình mà chúng ta gọi là Vụ Nổ Lớn — sự giãn nở mạnh mẽ của chính không-thời gian.

Dòng thời gian sơ khai: từ giây đầu đến ánh sáng đầu tiên

Sau giai đoạn rất sớm của Vụ Nổ Lớn, trong vòng khoảng một giây, các lực và hạt cơ bản bắt đầu xuất hiện: gluon, quark, boson, lepton, proton, neutron và phản hạt của chúng. Các tương tác mạnh, yếu và điện từ dần tách ra thành các lực riêng biệt. Hàng trăm ngàn năm sau đó, khi vũ trụ giãn nở và nguội đi, nhiệt độ giảm xuống mức cho phép các nguyên tử trung hòa hình thành. Khoảng 384.000 năm sau Vụ Nổ Lớn, vũ trụ trở nên trong suốt với sự xuất hiện của bức xạ điện từ đầu tiên.

Ngay cả khi vũ trụ diệt vong, không có không-thời gian và chỉ có chân không tuyệt đối.

Sơ khai hóa học: những nguyên tố đầu tiên và con đường tạo nguyên tố nặng

Trong pha sơ khai, các nguyên tử xuất hiện chủ yếu là hydro và heli, kèm theo một lượng rất nhỏ liti. Những nguyên tố nhẹ này dần dần tập kết dưới tác động của lực hấp dẫn, tạo thành tinh vân, sao và sau cùng là thiên hà. Các sao đầu tiên thường có khối lượng lớn và tuổi thọ ngắn; quá trình tổng hợp hạt nhân trong lõi sao và các vụ nổ siêu tân tinh lần lượt tạo ra các nguyên tố nặng hơn. Kết quả cuối cùng là dần xuất hiện tới các nguyên tố đã biết — trong nguồn gốc trình bày có đề cập đến 118 nguyên tố — những nguyên tố cấu thành vật chất phong phú xung quanh chúng ta.

Nhìn lại: vật chất có ‘‘xuất hiện’’ hay không?

Hai diễn giải không mâu thuẫn hoàn toàn: ở một nghĩa vĩ mô, vũ trụ (và do đó vật chất bên trong nó) đã xuất phát từ một trạng thái điểm kỳ dị; ở nghĩa vi mô, vật chất có thể được coi là biểu hiện của năng lượng đã tiềm ẩn trong chân không lượng tử. Khi kết hợp hai góc nhìn, ta có thể nói rằng vật chất trong vũ trụ hiện hữu nhờ quá trình chuyển hóa năng lượng (theo tương đương năng lượng-khối lượng) và nhờ những bất đối xứng lượng tử cho phép một phần năng lượng không bị triệt tiêu hoàn toàn, từ đó phát triển thành vũ trụ đang giãn nở.

Những điều còn mở

• Liên kết giữa mô tả tương đối rộng (điểm kỳ dị) và mô tả lượng tử (chân không) vẫn là thách thức lớn của vật lý lý thuyết.
• Cơ chế chuyển từ năng lượng chân không sang vật chất thực tế và nguồn gốc chính xác của bất đối xứng giữa vật chất và phản vật chất vẫn cần mô hình chi tiết hơn.
• Các giả thuyết và quan sát trong tương lai sẽ tiếp tục hoàn thiện bức tranh nguồn gốc vật chất, nhưng những khung tư duy hiện nay đã cung cấp nền tảng hợp lý để hiểu vì sao vật chất có thể xuất hiện từ một nền ‘‘không trống rỗng’’.

Câu hỏi thường gặp (FAQ)

Vật chất có thể ‘‘tạo ra’’ từ hư không không?

Theo cơ học lượng tử, chân không chứa dao động và cặp hạt ảo; trong những điều kiện đặc biệt và với các bất đối xứng, năng lượng từ chân không có thể biểu hiện dưới dạng vật chất thực tế. Vì vậy, nói vật chất ‘‘tạo ra’’ từ hư không là một cách diễn đạt hợp lý trong khuôn khổ này.

Điểm kỳ dị có nghĩa là vũ trụ bắt nguồn từ ‘‘không có gì’’?

Điểm kỳ dị theo mô tả vũ trụ học không nhất thiết đồng nghĩa với ‘‘không có gì’’ theo nghĩa thông thường. Đó là trạng thái mà mô tả không-thời gian thông thường không còn áp dụng được; Vụ Nổ Lớn là quá trình mở rộng từ trạng thái đó sang không-thời gian hiện diện ngày nay.

Tại sao bức xạ đầu tiên chỉ xuất hiện sau hàng trăm nghìn năm?

Sau giai đoạn sơ khai, vũ trụ rất nóng và dày đặc nên photon bị gia tăng tương tác với hạt tích điện; khi vũ trụ giãn nở và nhiệt độ giảm tới mức cho phép nguyên tử trung hòa hình thành (nhiệt độ xấp xỉ vài nghìn kelvin), photon có thể truyền đi tự do, tạo ra bức xạ nền mà chúng ta gọi là ánh sáng đầu tiên.

Làm thế nào các nguyên tố nặng hơn được sinh ra?

Các nguyên tố nặng xuất hiện chủ yếu trong quá trình tổng hợp hạt nhân sao và qua các vụ nổ siêu tân tinh, khi điều kiện nhiệt độ và áp lực cho phép liên kết các hạt nhân nhẹ thành những nguyên tố nặng hơn qua nhiều giai đoạn.

Kết luận

Khái niệm vật chất ‘‘tồn tại từ hư không’’ và ‘‘xuất hiện từ tiền-tồn tại’’ không hoàn toàn đối nghịch; chúng là hai mặt của cùng vấn đề khi xét ở các quy mô khác nhau. Vũ trụ học cung cấp bối cảnh vĩ mô với Vụ Nổ Lớn và điểm kỳ dị; cơ học lượng tử cung cấp cơ chế vi mô qua năng lượng chân không và nguyên lý bất định. Sự hòa hợp giữa hai khuôn khổ này vẫn là mục tiêu của nghiên cứu tiếp theo, và chính các quan sát lẫn lý thuyết đang dần lấp đầy những khoảng trắng trong hiểu biết của chúng ta về nguồn gốc vật chất.

Muốn hiểu rõ hơn cách một chòm sao trở thành mốc định hướng trên bầu trời Bắc bán cầu và tại sao vị trí ấy không cố định tuyệt đối, bạn có thể đọc bài Cách nhận diện và dùng Sao Bắc Đẩu để định vị, trong đó phân tích cấu trúc cụm sao Đại Hùng và ảnh hưởng của dịch chuyển trục Trái Đất tới vai trò “định hướng”.

Nếu bạn quan tâm tới các khám phá cụ thể của James Webb về những thiên hà xa xôi, bài viết Khám phá thiên hà Maisie xa xưa 13,4 tỷ năm trình bày chi tiết phát hiện về một thiên hà được quan sát nhờ ánh sáng cần 13,4 tỷ năm để tới Trái Đất, giúp mở rộng hiểu biết về vũ trụ sơ khai.

Để xem minh chứng trực quan cho số lượng lớn thiên hà xa được JWST ghi nhận bằng kính hồng ngoại, hãy tham khảo bài Bức ảnh hồng ngoại hé lộ hàng trăm thiên hà xa, phân tích bức ảnh thu trong nhiều ngày phơi sáng và ý nghĩa của các nguồn sáng quan sát được.