VŨ TRỤ NGUYÊN THỦY –
MỘT MÁY GIA TỐC VĨ ĐẠI
Trong thuyết Vụ nổ lớn, Vũ trụ giãn nở bắt đầu từ một điểm kỳ dị. Muốn tính tuổi của Vũ trụ, ta phải lý luận để đi ngược thời gian đến điểm kỳ dị, lúc tuổi và bán kính của Vũ trụ là số không để làm mốc. Tại điểm này những định luật của toán lý và thuyết tương đối rộng không áp dụng được. Vật lý hiện đại dựa vào vật lý các hạt đã xảy ra bắt đầu từ 10-43 (tức là 42 số không sau dấu phẩy) giây đồng hồ sau vụ nổ! Con số cực nhỏ này không có ý nghĩa thực tế, song trên phương diện khoa học, nó là mốc cho thời gian trong quá trình tiến triển của Vũ trụ. Thời điểm này được gọi là thời điểm Plăng (Plank, một nhà vật lý học người Đức, thế kỷ XX). Trước đó Vũ trụ ở trong một trạng thái hỗn độn, vật không gian, thời gian không liên tục mà thăng giáng và chỉ có thể được miêu tả bằng lý thuyết “hấp dẫn lượng tử”. Thuyết cơ học lượng tử dùng để nghiên cứu những hiện tượng vật lý trong những môi trường cực kỳ nhỏ bé, như trong nguyên tử. Tuy nhiên, sự phối hợp giữa thuyết tương đối rộng với cơ học lượng tử là một vấn đề nan giải, chưa hoàn thành được. Ở thời điểm Planck, kích thước của Vũ trụ là 10-33centimet (Độ dài Plank), nhiệt độ là 10-33K và mật độ là 1094 gam (1 theo sau bởi 94 số không!) trong một centimet khối! Những trị số cực nhỏ và cực lớn này, gọi là trị số Plank vì được tính ra từ hằng số cơ bản Plank, được coi là miêu tả những điều kiện lý hoá ban đầu của Vũ trụ nguyên thuỷ. Lúc đó, Vũ trụ bị tràn ngập bởi những hạt cơ bản có năng lượng cao, như êlectrôn, nơtrinô và quark (quác). Hạt quark với kích thước nhỏ hơn 10-17 centimet hiện nay được coi là thành phần cơ bản nhất của vật chất.
Vật lý thiên văn có liên hệ chặt chẽ với vật lý các hạt cơ bản. Mục tiêu của các nhà vật lý giải thích những hiện tượng xảy ra trong Vũ trụ bằng sự tương tác giữa một số hạt cơ bản. Thành phần cơ bản của vật chất gồm có 12 hạt thuộc về loại fermion (Phermiôn) như những hạt êlectrôn và quark. Từ fermion được đặt ra để bày tỏ sự tôn kính đối với nhà bác học Italia Fermi. Những hạt này có thể được tạo ra bằng những máy gia tốc trong các phòng thí nghiệm. Phòng máy gia tốc những hạt như êlectrôn và phản hạt pôzitrôn (êlectrôn dương) được phóng ngược chiều nhau với tốc độ cực lớn. Phản hạt có khối lượng bằng khối lượng hạt nhưng có diện tích trái ngược. Những hạt va chạm với nhau và tự huỷ để tạo ra những hạt khác có năng lượng cao hơn.
Những hiện tượng vật lý diễn ra trong Vũ trụ phôi thai không thực hiện được trong phòng thí nghiệm, vì năng lượng máy gia tốc không đủ cao và thời gian tương tác của các hạt trong máy gia tốc không đủ lâu để tạo ra những điều kiện giống như trong Vũ trụ nguyên thuỷ. Theo cơ học lượng tử, năng lượng va chạm càng cao bao nhiêu thì khả năng phân giải của máy càng lớn bấy nhiêu, tức là khảo sát được cấu trúc càng vi mô của vật chất. Máy gia tốc hình vòng của cộng đồng Âu Châu ở Genève, Thuỵ sĩ với chu vi 27 kilômét và năng lượng khoảng 100 tỷ êlêctrôn vôn (100 Gev=10-11ev) cũng chỉ thăm dò được tới kích thước nhỏ như 10-16 centimét, vào thời điểm một phần mười tỉ (10-10) giây sau Vụ nổ lớn. Trước thời điểm đó, các nhà vật lý phải dựa trên lý thuyết để dự đoán các sự kiện đã xảy ra. Năng lượng trong Vũ trụ vào thời điểm Plank ít thất phải bằng 10-15Gev, tức là 10 nghìn tỷ (10-13) lần năng lượng của những máy gia tốc hiện đại nhất. Hiện nay, không có kết quả thực nghiệm nào có thể xác minh những dự đoán về kịch bản có thể diễn ra trong Vũ trụ ở thời đại nguyên thuỷ.
