Lịch sử vũ trụ học (Phần 21)

Nền vi sóng vũ trụ

Một đòn mạnh giáng vào lí thuyết trạng thái bền vững xuất hiện vào năm 1965 với một khám phá bất ngờ. Trong một bài báo năm 1948, Gamow biện luận rằng vũ trụ Big Bang lúc đầu sẽ bị thống trị bởi một bức xạ - một biển năng lượng cuồng nhiệt. Khi biển bức xạ này dãn nở, năng lượng hầu hết chuyển hóa thành vật chất. Alpher và Herman tiên đoán một tàn dư của bức xạ đó sẽ vẫn còn lại – một bức xạ nền vũ trụ tràn ngập toàn bộ không gian. Khi vũ trụ dãn nở, bức xạ này sẽ lạnh đi. Bức xạ ấy lúc ban đầu sẽ trắng-nóng hơn nhiều so với hiện nay có năng lượng rất thấp. Họ tiên đoán nhiệt độ của vũ trụ hiện nay khoảng chừng 5 K, chỉ trên không độ tuyệt đối một chút xíu.

Ít có sự liên lạc thông tin vào những ngày tháng đó giữa các nhà vật lí hạt nhân, các nhà thiên văn học quan sát và các nhà vũ trụ học lí thuyết. Hơn nữa, thực tế thì Alpher và Herman làm việc trong phòng thí nghiệm nghiên cứu công nghiệp có thể làm suy giảm tính minh bạch của họ trong cộng đồng nghiên cứu ở các trường đại học. Cả Alpher, Gamow lẫn Herman đều không đưa ra được bất kì ý tưởng nào về cách thức kiểm tra sự tiên đoán của họ. Trong mọi trường hợp, nó thật khó mà xác định,và lại biến đổi theo những tính toán sau này. Họ chủ yếu bị cuốn hút vào vật lí học, chứ không phải thiên văn học hay vũ trụ học. Bên cạnh đó, bức xạ có năng lượng thấp như thế phải là vi sóng, một loại khó phát hiện nằm giữa vùng tia hồng ngoại và sóng vô tuyến. Vào cuối thập niên 1940, không có thiết bị nào sẵn dùng có khả năng phát hiện vi sóng với nhiệt độ thấp hơn 20 K nhiều.

Các kĩ thuật nhanh chóng được cải tiến khi vi sóng được nhận thấy có ích cho radar và truyền thông. Vào năm 1963, Arno Penzias và Robert Wilson, lúc đó đang nghiên cứu “sự nhiễu” của bầu trời cho Phòng thí nghiệm Công ti Điện thoại Bell, nhận thấy họ đã phát hiện ra vi sóng đến từ khắp mọi nơi trên bầu trời, một bức xạ nền vũ trụ. Robert Dicke, một nhà vật lí tại trường đại học Princeton gần đó, học được phép đo đó và vào năm 1965 đã giải thích thành công nó là bức xạ khoảng 3 K còn lại sau Big Bang. Dicke không hề biết về tiên đoán của Alpher và Herman và đã độc lập nghĩ ra bức xạ nền vũ trụ. Ngay trước khi biết đến quan sát của Penzias và Wilson, Dicke đã hướng dẫn cựu học trò của ông là James Peebles nghiên cứu cách tính ra bản chất của bức xạ này. Chỉ sau này tiên đoán của Alpher và Herman mới được hồi sinh và đánh giá đúng giá trị.

Robert Dicke (1916-1997)

Là người Mĩ, Dicke nhận bằng tiến sĩ vào năm 1941 và nghiên cứu về radar trong Thế chiến thứ hai tại Viện Công nghệ Massachusetts. Ông trải qua phần còn lại của sự nghiệp của mình tại Princeton. Đầu thập niên 1960, ông và người sinh viên của mình James Peebles đã độc lập lặp lại tiên đoán của George Gamow về bức xạ nền vũ trụ, và hầu như tức thì sau đó đã giải thích chính xác khám phá của Arno Penzias và Robert Wilson về bức xạ nền vũ trụ. Sau đó, Dicke và Peebles đã hướng sự chú ý của các nhà thiên văn học tới vấn đề mật độ vật chất trong vũ trụ, gọi tên là bài toán phẳng. Một bài giảng của Dicke đã gây cảm hứng cho Alan Guth phát triển mô hình vũ trụ học lạm phát

Cuộc tranh luận kết thúc

Penzias và Wilson có cảm giác hỗn tạp về sự suy luận lí thuyết rút ra từ khám phá của họ. Wilson, người nghiên cứu vũ trụ học cùng với Hoyle, sau này nhớ lại rằng ông “rất thích vũ trụ trạng thái bền vững. Về mặt triết học, tôi vẫn xếp nó vào loại này. Tôi nghĩ cả Arno lẫn tôi đều cảm thấy thật tuyệt vời vì có một lời giải thích nhưng có thể còn có những lời giải thích khác nữa”. Một vài nhà thiên văn vật lí chia sẻ sự e dè của Wilson. Háo hức chôn vùi lí thuyết trạng thái bền vững, chủ yếu bởi các nghiên cứu các nguồn phát vô tuyến, họ nhanh chóng mô tả quan sát của Penzias và Wilson là đòn chí tử cho lí thuyết trạng thái bền vững.

Số ít những người vẫn còn yêu thich lí thuyết trạng thái bền vững không bị thuyết phục rằng Big Bang đã được phát hiện. Liệu quan sát riêng lẻ của Penzias và Wilson không còn có cách giải thích nào khác hay không ? Hoyle cho rằng bức xạ đó có thể đến từ sự tương tác giữa bức xạ sao và các hạt sắt hình kim nằm giữa các sao. Chỉ một số phép đo ở những tần số khác có thể xác nhận bức xạ có tính chất tiên đoán cho tàn dư của Big Bang. Mãi cho đến đầu những năm 1970 thì kĩ thuật mới đủ tiến bộ để tiến hành những phép đo này, mang lại sự xác nhận chắc chắn.

Tuy nhiên, đối với đa số mục tiêu, cuộc tranh luận giữa thuyết Big Bang và thuyết trạng thái bền vững vẫn tiếp diễn trong năm 1965, với Big Bang chiến thắng rõ ràng hơn. Những người ủng hộ thuyết trạng thái bền vững giảm đưa ra những lập luận đặc biệt ít tin cậy, và họ từ từ bước ra khỏi cuộc tranh luận đó.

Đầu thập niên 1970, vũ trụ học trở thành một ngành khoa học quan sát, những tranh luận và bàn cãi của nó xếp thành hàng vào phán xét theo lối kinh nghiệm. Cho đến nay, mặc dù đã có nhiều tiến bộ lớn, nhưng thỉnh thoảng những thiết bị đo đạc hoàn toàn mới, các nhận định triết học vẫn là trọng tâm của vũ trụ học. Chúng giữ một vai trò quan trọng trong sự phát triển chủ yếu tiếp theo về vũ trụ học, đó là lí thuyết vũ trụ học lạm phát.

alt