Georges Lemaître: Cha đẻ của thuyết vụ nổ lớn Big Bang

Georges Lemaître (1894–1966) có niềm đam mê với khoa học và vũ trụ ngay từ thời thơ ấu, khi ông sống cùng với gia đình tại thành phố Charleroi ở miền Nam nước Bỉ. Thật không may, Chiến tranh thế giới thứ nhất nổ ra và giống như nhiều người bạn khác, Lemaître đã đăng ký gia nhập quân đội Bỉ để bảo vệ đất nước.

Sau khi chiến tranh kết thúc, Lemaître theo học tại Đại học Công giáo Leuven và trở thành một linh mục vào năm 1923. Trong quá trình học tập, ông tìm hiểu về Thuyết tương đối và viết một bài luận văn liên quan đến các lý thuyết vật lý mới của Einstein. Luận văn này đã giúp ông giành được học bổng của Chính phủ Bỉ.

Trong thời gian du học tại Đại học Cambridge (Anh), Lemaître đã đào sâu kiến ​​thức về Thuyết tương đối dưới sự hướng dẫn của nhà thiên văn học Lord Eddington. Năm 1924, Lemaître tiếp tục đến Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) và Đài thiên văn thuộc Đại học Harvard để nghiên cứu các ngôi sao biến quang Cepheid. Cũng trong năm đó, các nhà khoa học bắt đầu có những quan sát đầu tiên thách thức ý tưởng lâu đời về một vũ trụ tĩnh, vĩnh cửu. Tại Hội nghị của Hiệp hội Thiên văn học Mỹ lần thứ 33 được tổ chức ở Washington vào tháng 12/1924, nhà khoa học người Mỹ Edwin Hubble đã làm thay đổi hiểu biết của con người về vũ trụ khi ông chứng minh rằng ngoài dải Ngân hà còn có các thiên hà khác. Cụ thể, Hubble phát hiện các tinh vân xoắn ốc trên thực tế là những thiên hà xa xôi, cách Trái đất hàng triệu năm ánh sáng.

Lemaître cũng tham dự hội nghị này và bắt đầu có những khám phá đầu tiên về vũ trụ học. Ông nghiên cứu rất kỹ mô hình vũ trụ do nhà thiên văn học người Hà Lan de Sitter đề xuất. Trong vũ trụ của de Sitter, các thiên hà sẽ lùi xa nhau với tốc độ tỷ lệ thuận với khoảng cách của chúng. Ánh sáng sao từ các thiên hà xa xôi sẽ dịch chuyển sang màu đỏ của dải quang phổ, phù hợp với các bằng chứng quan sát được. Tuy nhiên khi sử dụng các phương trình trường Einstein để tính toán, mô hình của de Sitter tồn tại một nghiệm cho thấy vũ trụ trống rỗng, không chứa các thiên hà cũng như người quan sát. Do đó Lemaître đã từ bỏ mô hình này.

Tháng 7/1925, Lemaître quay trở lại Bỉ và trở thành giảng viên tại Đại học Công giáo Louvain. Ông tiếp tục suy nghĩ về vũ trụ học, và tự hỏi liệu Thuyết tương đối có thể dùng để mô tả một vũ trụ có thể dung hòa những đặc điểm hấp dẫn trong vũ trụ tĩnh của Einstein và vũ trụ trống rỗng của de Sitter hay không. Nói cách khác, một vũ trụ chứa vật chất ở dạng các thiên hà nhưng đồng thời cũng thể hiện sự dịch chuyển sang ánh sáng màu đỏ của các thiên hà ở xa. Ý tưởng thiên tài của Lemaître khi đó là từ bỏ mô hình về một vũ trụ tĩnh. Năm 1927, ông công bố một bài báo trong ấn phẩm của Hiệp hội Khoa học Brussels với tựa đề “Un univers homogène de masse constante et de rayon croissant, rendant compte de la vitesse radiale des nébuleuses extragalactiques” (Một vũ trụ đồng nhất có khối lượng không đổi và bán kính tăng dần, giải thích vận tốc xuyên tâm của các tinh vân ngoài ngân hà).

Trong bài báo này, Lemaître đề cập đến các phương trình Friedmann chi phối sự tiến hóa của một vũ trụ động theo Thuyết tương đối của Einstein [vũ trụ động là vũ trụ biến đổi và phát triển theo thời gian]. Sau đó, ông xác định nghiệm của những phương trình này có thể dùng để mô tả một vũ trụ giãn nở, kết hợp giữa vũ trụ tĩnh của Einstein trong quá khứ xa xôi và vũ trụ trống của de Sitter trong tương lai. Ông cho biết nếu đây là vũ trụ của chúng ta thì sự giãn nở không gian sẽ làm cho ánh sáng sao trong những thiên hà xa xôi bị dịch chuyển sang màu đỏ của dải quang phổ, như thể ánh sáng bị dịch chuyển theo Hiệu ứng Doppler do các thiên hà chuyển động ra xa chúng ta. Lemaître đã tìm thấy mối quan hệ tuyến tính giữa tốc độ tách rời của các thiên hà và khoảng cách của chúng với Trái đất, thứ mà sau này chúng ta gọi là “Định luật Hubble”.

Tuy nhiên, đa số các nhà khoa học nổi tiếng đương thời gần như không chú ý đến công trình đột phá của Lemaître. Các nhận xét về ý tưởng của ông chủ yếu đều mang tính chất tiêu cực. Ví dụ, bên lề Hội nghị Solvay năm 1927, Lemaître đã có một cuộc thảo luận ngắn về nghiên cứu của mình với Einstein. Thậm chí Einstein còn nhận xét rằng: “Thưa ông Lemaître, các tính toán của ông là đúng, nhưng sự hiểu biết về vật lý của ông thì quá tệ”. Rõ ràng cộng đồng khoa học khi đó vẫn chưa sẵn sàng từ bỏ ý tưởng cũ về một vũ trụ tĩnh, vĩnh cửu.

Năm 1929, các quan sát của Hubble đã xác nhận mối quan hệ tuyến tính giữa khoảng cách và vận tốc của các tinh vân xoắn ốc. Công trình của Hubble không đề cập đến sự giãn nở của vũ trụ. Thay vào đó, ông diễn giải những quan sát của mình theo sự dịch chuyển Doppler thông thường.

Bắt đầu từ tháng 5/1930, Eddington và de Sitter là hai nhà khoa học đầu tiên công nhận khám phá quan trọng của Lemaître. Họ nhiệt tình ủng hộ và phổ biến khái niệm về vũ trụ giãn nở trong các ấn phẩm mới. Eddington thậm chí đã cho xuất bản bản dịch bài báo gốc của Lemaître trong ấn phẩm của Hiệp hội Thiên văn Hoàng gia Anh (MNRAS). Bản dịch này đã có một tác động lớn với cộng đồng khoa học, và ý tưởng của Lemaître về một vũ trụ đang mở rộng nhanh chóng trở thành trụ cột chính của vũ trụ học hiện đại.

Cuối cùng, Einstein cũng đồng ý với ý tưởng của Lemaître. Trong bài viết ngắn mà ông chấp nhận vũ trụ mở rộng, Einstein đã quyết định loại bỏ hằng số vũ trụ (λ). Đây là hằng số mà ông đã đưa vào các phương trình của mình vào năm 1917 để mô tả một vũ trụ tĩnh.

Lemaître có một quan điểm khá đặc biệt về hằng số vũ trụ. Ông coi nó như một loại vật chất, thứ mà ngày nay chúng ta gọi là năng lượng tối. Năm 1931, ông đã đưa ra khái niệm về một “vũ trụ do dự”. Đây là một vũ trụ ban đầu mở rộng nhanh, sau đó chậm lại để các cấu trúc quy mô lớn như các ngôi sao và thiên hà có thể hình thành, và cuối cùng mở rộng tăng tốc trở lại do tác động của năng lượng tối. Lý thuyết này phù hợp với các quan sát thiên văn có độ chính xác cao ngày nay.

Lemaître cho rằng nếu vũ trụ đang giãn nở thì càng quay ngược trở về khứ, nó sẽ chiếm một không gian ngày càng nhỏ hơn. Cho đến khi tại một thời điểm ban đầu nào đó, toàn bộ vũ trụ sẽ tập trung lại thành một loại “nguyên tử nguyên thủy” ở điểm kỳ dị, nơi mà các khái niệm thông thường của chúng ta về không – thời gian không còn ý nghĩa nữa và thuyết tương đối của Einstein bị phá vỡ. Từ điểm kỳ dị, vũ trụ hình thành sau một vụ nổ lớn (Big Bang) cách đây khoảng 13,8 tỷ năm. Đây là điều mà hầu hết các nhà khoa học ngày nay đều biết đến, nhưng không ai giải thích ý tưởng này một cách khoa học trước khi Lemaître công bố bài báo trên tạp chí Nature vào tháng 5/1931 với tựa đề “The Beginning of the World from the Point of View of Quantum Theory” (Sự khởi đầu của thế giới từ quan điểm của thuyết lượng tử).

Theo Pas.va