Tổng quan về thuyết vụ nổ lớn
Ý tưởng trung tâm của lý thuyết này là quá trình vũ trụ đang giãn nở. Nó được minh chứng bằng các thí nghiệm về dịch chuyển đỏ của các thiên hà (định luật Hubble). Điều đó có nghĩa là các thiên hà đang rời xa nhau và cũng có nghĩa là chúng đã từng ở rất gần ...
Ý tưởng trung tâm của lý thuyết này là quá trình vũ trụ đang giãn nở. Nó được minh chứng bằng các thí nghiệm về dịch chuyển đỏ của các thiên hà (định luật Hubble). Điều đó có nghĩa là các thiên hà đang rời xa nhau và cũng có nghĩa là chúng đã từng ở rất gần nhau trong quá khứ và quá khứ xa xưa nhất, cách đây khoảng 13,3-13,9 tỷ (13,3-13,9 × 109 size 12{"10" rSup { size 8{9} } } {}) năm,là một điểm kỳ dị. Từ "vụ nổ lớn" được sử dụng trong một nghĩa hẹp, đó là một thời điểm trong thời gian khi sự mở rộng của vũ trụ bắt đầu xuất hiện, và theo nghĩa rộng, đó là quá trình tiến hóa, giải thích nguồn gốc và sự phát triển của vũ trụ.
Theo thuyết Vụ Nổ Lớn, vũ trụ bắt nguồn từ một trạng thái vô cùng đặc và vô cùng nóng (điểm dưới cùng). Từ đó, không gian đã mở rộng cùng với thời gian và làm cho các thiên hà di chuyển xa nhau hơn.
Lý thuyết Vụ Nổ Lớn được đưa ra dựa trên cơ sở các thành tựu của lý thuyết và thực nghiệm. Về mặt thực nghiệm, năm 1912, nhà khoa học Vesto Slipher và sau này là Carl Wilhelm Wirtz đã xác định rằng hầu hết các tinh vân hình xoáy ốc đang rời xa Trái Đất, nhưng họ không nhận ra ý nghĩa của việc này, họ cũng không nhận ra được là các tinh vân đó là các thiên hà ở ngoài Ngân Hà của chúng ra.
Cũng vào những năm 1910, lý thuyết tương đối rộng của Albert Einstein thừa nhận một vũ trụ không tĩnh tại. Vũ trụ được mô tả bằng một ten sơ metric là một vũ trụ đang giãn nở hoặc đang co lại. Nhưng bản thân Einstein lại cho rằng một vũ trụ như thế là sai và ông đã bổ sung một hằng số vũ trụ, có tác dụng như một lực hút để có thể mô tả một vũ trụ tĩnh tại. Người đầu tiên nghiên cứu thuyết tương đối rộng một cách nghiêm túc mà không cần đến hằng số vũ trụ là Alexander Friedmann, và ông đưa ra các phương trình mô tả cho vũ trụ Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker.
Năm 1927, một thầy tu dòng tên người Bỉ là Georges Lemaître cũng đưa ra các phương trình Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker (Alexander Alexandrovich Friedman, Monsignor Georges Henri Joseph Édouard Lemaître, Howard Percy Robertson, Arthur Geoffrey Walker) một cách độc lập dựa trên các quan sát về sự lùi xa của các tinh vân hình xoáy ốc, và giả thiết rằng vũ trụ bắt đầu từ một "vụ nổ" của một "nguyên tử nguyên thủy" mà sau này gọi là "Vụ Nổ Lớn".
Ánh sáng vàng chuyển thành đỏ: các thiên thể đang dời xa người quan sát
Năm 1929, Edwin Hubble đã đưa ra các cơ sở thực nghiệm cho lý thuyết của Lemaître. Hubble chứng minh rằng, các tinh vân hình xoáy ốc là các thiên hà và ông đo khoảng cách giữa chúng bằng các ngôi sao Cepheid. Ông phát hiện ra rằng các thiên hà đang rời ra xa chúng ta theo tất cả các hướng với vận tốc tỷ lệ với khoảng cách giữa chúng. Sự giãn nở này được gọi là định luật Hubble.
Do sự giới hạn của nguyên lý vũ trụ, định luật Hubble gợi ý rằng vũ trụ đang giãn nở. Điều này cho phép hai khả năng trái ngược nhau có thể xảy ra. Khả năng thứ nhất là lý thuyết về vụ nổ lớn của Lemaître, và sau đó được George Gamow mở rộng là đúng. Khả năng thứ hai là vũ trụ tuân theo mô hình trạng thái dừng của Fred Hoyle, trong đó, vật chất được tạo ra khi các thiên hà chuyển động ra xa khỏi nhau. Theo mô hình của Hoyle, vũ trụ gần như không đổi theo thời gian. Thực ra chính Hoyle là người đã đặt tên cho lý thuyết của Lemaître một cách mỉa mai trên một chương trình của đài BBC vào năm 1949 là "vụ nổ lớn", đến năm 1950 cái tên trên mới được in ở trên các bài báo.
Bức xạ phông vi sóng và Vụ nổ lớn
Trong rất nhiều năm, ý tưởng này vẫn gây nhiều tranh cãi. Tuy nhiên, có nhiều bằng chứng thực nghiệm ủng hộ ý tưởng cho rằng vũ trụ bắt đầu từ một trạng thái đặc nóng. Từ khám phá bức xạ phông vi sóng vũ trụ vào năm 1965 thì lý thuyết vụ nổ lớn được coi là lý thuyết tốt nhất để mô tả nguồn gốc và tiến hóa của vũ trụ.
Trước những năm cuối của thập kỷ 1960, rất nhiều nhà vũ trụ học nghĩ rằng điểm kỳ dị có mật độ vô hạn tại thời điểm bắt đầu của thời gian trong mô hình vũ trụ của Friedmann có thể không đúng nếu trước đó, vũ trụ ở pha co lại nhưng khi đến gần các thiên hà trượt qua nhau và chuyển sang pha giãn nở như hiện nay. Richard Tolman gọi vũ trụ như thế này là vũ trụ dao động. Tuy nhiên, vào những năm 1960, Stephen Hawking và những người khác chứng minh rằng vũ trụ như thế không thể tồn tại và điểm kỳ dị là một đặc điểm quan trọng nhất của vật lý được mô tả bằng lý thuyết hấp dẫn của Einstein. Điều này thuyết phục phần lớn các nhà vũ trụ học chấp nhận vũ trụ được mô tả bằng thuyết tương đối rộng được sinh ra tại một thời điểm hữu hạn trong quá khứ. Tuy nhiên, vì thuyết hấp dẫn lượng tử chưa hoàn thiện nên không có cách nào kiểm chứng điểm kỳ dị tại Vụ nổ lớn là một điểm khởi đầu cho vũ trụ và cũng không thể nào nói rằng vũ trụ có tuổi vô hạn.
Ngày nay, tất cả các công trình lý thuyết về vũ trụ học đều là phần mở rộng hoặc hiệu chỉnh lại lý thuyết Vụ nổ lớn ban đầu. Rất nhiều các công trình hiện nay về vũ trụ học bao gồm việc nghiên cứu sự hình thành của các thiên hà trong bối cảnh sau Vụ nổ lớn, tìm hiểu cái gì đã xảy ra tại Vụ nổ lớn và so sánh các kết quả thực nghiệm với lý thuyết.
Việc nghiên cứu về Vụ nổ lớn có những bước tiến bộ vượt bậc vào những năm 1990 và những đầu năm của thế kỷ 21 nhờ vào sự phát triển của kỹ thuật kính thiên văn kết hợp với một lượng lớn các dự liệu vệ tinh như Máy thăm dò phông vũ trụ (COBE), kính thiên văn không gian Hubble và Máy dò dị hướng vi sóng Wilkinson (WMAP). Các dữ liệu này cho phép các nhà vũ trụ học tính toán rất nhiều thông số về Vụ nổ lớn với độ chính xác cao và cho ra khám phá bất ngờ là sự giãn nở của vũ trụ không phải là đều mà đang được gia tốc.
Thời biểu vũ trụ giãn nở kể từ vụ nổ lớn của NASA
Dựa trên các phép đo về sự giãn nở của vũ trụ bằng siêu tân tinh loại I, các phép đo về sự trồi sụt của bức xạ phông vi sóng vũ trụ và các phép đo về hàm liên kết của các thiên hà, người ta xác định được tuổi của vũ trụ là 13.7 ± 0.2 tỷ năm. Kết quả giống nhau của ba phép đo độc lập này được coi là bằng chứng thuyết phục cho một mô hình gọi là mô hình Lambda-CDM mô tả chi tiết tính chất của vũ trụ.
Vũ trụ vào giai đoạn sớm là một vũ trụ đồng nhất và đẳng hướng với mật độ, năng lượng, nhiệt độ và áp suất cực cao. Sau đó vũ trụ nở ra, lạnh đi và trải qua một quá trình chuyển pha giống như sự ngưng tụ của hơi nước hoặc sự đóng băng của nước khi nhiệt độ giảm xuống, tất nhiên là không phải sự chuyển pha của phân tử nước mà là của các hạt cơ bản.
Khoảng 10-35 giây sau kỷ nguyên Planck, một loại chuyển pha làm cho vũ trụ trải qua giai đoạn phát triển theo hàm mũ được gọi là giai đoạn lạm phát vũ trụ. Sau khi quá trình lạm phát kết thúc, thành phần của vũ trụ gồm các plasma quark-gluon (gồm tất cả các hạt khác, một số thực nghiệm gần đây gợi ý có thể vũ trụ lúc đó là một loại chất lỏng quark-gluon). Các hạt này đều chuyển động tương đối. Khi vũ trụ tiếp tục gia tăng kích thước thì nhiệt độ tiếp tục giảm. Tại một nhiệt độ nhất định, một giai đoạn mà hiện nay người ta vẫn chưa biết hết về nó gọi là quá trình sinh hạt baryon, tại đó, các quark và gluon kết hợp với nhau để tạo nên các hạt baryon, như là proton và neutron, và bằng cách nào đó mà thể hiện tính phi đối xứng giữa vật chất và phản vật chất. Nếu tiếp tục hạ nhiệt độ thì sẽ dẫn đến nhiều quá trình chuyển pha có tính đối xứng bị phá vỡ hơn và làm cho các lực vật lý và các hạt cơ bản tồn tại ở trạng thái như chúng ta thấy ngày nay. Sau đó, một số proton và neutron kết hợp với nhau để hình thành các hạt nhân nguyên tử deuterium và hêli, quá trình này gọi là sự tổng hợp hạt nhân vụ nổ lớn. Khi vũ trụ tiếp tục bị nguội đi, vật chất không còn chuyển động với vận tốc tương đối nữa và mật độ năng lượng do khối lượng nghỉ thể hiện dưới dạng hấp dẫn sẽ thống trị mật độ năng lượng thể hiện dưới dạng bức xạ. Khoảng 300.000 năm sau vụ nổ lớn, các điện tử và các hạt nhân kết hợp với nhau tạo nên các nguyên tử (phần lớn là hiđrô); do đó, bức xạ được tách khỏi vật chất và tiếp tục truyền trong không gian mà hầu như không bị cản trở. Dấu vết của bức xạ này tồn tại đến ngày nay chính là bức xạ phông vi sóng.
Theo thời gian, một số vùng có mật độ vật chất cao hơn sẽ hút nhau do lực hấp dẫn và càng làm cho các vùng đó đặc hơn nữa để hình thành nên các đám mây vật chất, các ngôi sao, các thiên hà và các cấu trúc vũ trụ mà chúng ta quan sát được ngày nay. Chi tiết của quá trình này phụ thuộc vào lượng và loại vật chất trong vũ trụ. Có ba loại vật chất được biết là vật chất tối lạnh (CDM), vật chất tối nóng (HDM) và vật chất thường (WDM). Các phép đo thực nghiệm cho thấy rằng dạng vật chất tối lạnh thống trị vũ trụ, nó chiếm đến hơn 80% khối lượng, trong khi hai loại vật chất kia chỉ chiếm chưa đến 20% khối lượng.
Về mặt năng lượng thì vũ trụ hiện nay có vẻ như bị thống trị bởi một dạng năng lượng bí ẩn được gọi là năng lượng tối. Khoảng 70% mật độ năng lượng toàn phần của vũ trụ tồn tại ở dạng này. Sự có mặt của dạng năng lượng này được suy ra từ sự sai khác giữa sự giãn nở của vũ trụ và công thức liên hệ giữa tốc độ - khoảng cách làm cho không thời gian giãn nở nhanh hơn trông đợi tại các khoảng cách lớn. Năng lượng tối xuất hiện như là một hằng số vũ trụ trong các phương trình Einstein của lý thuyết tương đối rộng. Nhưng bản chất, các chi tiết về phương trình trạng thái, và mối liên hệ với mô hình chuẩn của vật lý hạt vẫn còn chưa sáng tỏ và cần được nghiên cứu cả về lý thuyết lẫn thực nghiệm.
Tất cả các quan sát đều được giải thích bằng mô hình Lambda-CDM, trong đó, mô hình toán học về vụ nổ lớn có sáu thông số tự do. Bí ẩn xuất hiện khi người ta quan sát gần điểm khởi đầu, khi mà năng lượng của các hạt lớn hơn năng lượng mà các thực nghiệm chưa đạt được. Hiện không có mô hình vật lý nào mô tả vũ trụ ở thời điểm trước 10-33 giây, trước thời điểm chuyển pha được gọi là lý thuyết thống nhất lớn. Tại thời khắc ngắn ngủi đầu tiên này, lý thuyết Einstein về hấp dẫn tiên đoán một điểm kỳ dị hấp dẫn, tại đó mật độ vật chất trở nên vô hạn. Để giải quyết nghịch lý vật lý này, người ta cần đến lý thuyết lượng tử hấp dẫn. Đó là một trong những vấn đề chưa giải quyết được trong vật lý.
Lý thuyết Vụ Nổ Lớn ngày nay dựa trên ba giả thuyết sau:
1. Tính phổ quát của các định luật vật lý
2. Nguyên lý vũ trụ học
3. Nguyên lý Copernic
Ban đầu, các giải thuyết trên chỉ được thừa nhận nhưng ngày nay có rất nhiều thực nghiệm kiểm tra tính đúng đắn của chúng. Tính phổ quát của các định luật vật lý được chứng minh là đúng đắn vì các sai số lớn nhất về hằng số cấu trúc tinh tế trong một khoảng thời gian bằng tuổi của vũ trụ chỉ cỡ khoảng 10-5. Tính dị hướng của vũ trụ xác định nguyên lý vũ trụ và được kiểm nghiệm với độ chính xác 10-5 và vũ trụ được xác định là đồng nhất trên quy mô lớn với độ sai số khoảng 10%. Hiện nay người ta vẫn đang trong quá trình kiểm tra nguyên lý Copernic bằng cách nghiên cứu tương tác giữa các đám thiên hà bằng CMB thông qua hiệu ứng Sunyaev-Zeldovich với độ chính xác 1%.
Lý thuyết Vụ Nổ Lớn sử dụng giả thuyết Weyl để đo thời gian tại bất kỳ thời điểm nào sau kỷ nguyên Planck. Các phép đo này dựa trên các tọa độ quy chiếu trong đó khoảng cách quy chiếu và thời gian quy chiếu đã loại bỏ sự giãn nở của vũ trụ trên quan điểm của các phép đo không-thời gian. Khoảng cách quy chiếu và thời gian quy chiếu được định nghĩa sao cho các vật thể chuyển động trong các vũ trụ giãn nở khác nhau có cùng một khoảng cách và các chân trời hạt hay các giới hạn quan sát (của một vũ trụ nào đó) được xác định bởi thời gian quy chiếu.
Vì vũ trụ có thể được mô tả bởi các tọa độ như vậy, vụ nổ lớn không phải là một vụ nổ trong đó vật chất được phóng ra và lấp đầy một vũ trụ trống rỗng; cái đang giãn nở chính là không-thời gian. Đó chính là sự giãn nở làm cho khoảng cách vật lý giữa hai điểm cố định trong vũ trụ của chúng ta tăng lên. Các vật thể liên kết với nhau (ví dụ bị liên kết bởi lực hấp dẫn) thì không giãn nở cùng không-thời gian vì các định luật vật lý điều khiển chúng được giả thiết là đồng nhất và độc lập với các giãn nở metric. Hơn nữa, sự giãn nở của vũ trụ tại nấc thang cục bộ ngày nay quá nhỏ nên nếu có sự phụ thuộc nào của các định luật vật lý vào sự giãn nở thì sự phụ thuộc đó cũng rất nhỏ làm cho các máy đo không thể xác định được.
Nói chung, có ba bằng chứng chủ yếu ủng hộ lý thuyết vụ nổ lớn về nguồn gốc vũ trụ. Đó là định luật Hubble cho thấy sự giãn nở của vũ trụ dựa trên sự dịch chuyển đỏ của các thiên hà; việc tìm ra bức xạ phông vi sóng vũ trụ; và sự thống trị của các nguyên tố nhẹ. (Xem thêm tổng hợp hạt nhân Vụ Nổ Lớn). Hơn nữa, các hàm liên kết của các cấu trúc tại các nấc thang vĩ mô của vũ trụ hoàn toàn trùng khớp với lý thuyết Vụ Nổ Lớn.
Định luật Hubble về sự giãn nở của vũ trụ
Các quan sát về các thiên hà và các quasar xa xôi cho thấy rằng ánh sáng từ chúng phát ra bị dịch chuyển về phía các ánh sáng có bước sóng dài hơn (dịch chuyển đỏ) và sự dịch chuyển đó tỷ lệ với khoảng cách giữa chúng. Sự dịch chuyển ánh sáng được rút ra từ phổ tần số của vật thể khi so sánh với các vạch phổ phát xạ hoặc hấp thụ của nguyên tử của các nguyên tố tương tác với bức xạ. Sự dịch chuyển đỏ này được giải thích bằng hiệu ứng Doppler đối với ánh sáng khi nguồn phát chuyển động ra xa nguồn thu. Sự dịch chuyển về phía bước sóng dài tỷ lệ với khoảng cách và hiện tượng này được biểu diễn bằng định luật Hubble như sau:
Trong đó v vận tốc rời xa, D khoảng cách và H0 hằng số Hubble có giá trị bằng 71 ± 4 km/giây/Mpc.
Bức xạ phông vũ trụ
Ảnh chụp của WMAP về bức xạ phông vi sóng vũ trụ
Lý thuyết vụ nổ lớn tiên đoán về sự tồn tại của bức xạ phông vi sóng vũ trụ được tạo thành từ các quang tử phát ra từ giai đoạn sinh hạt baryon. Vì vũ trụ thời kỳ sơ khai ở trạng thái cân bằng nhiệt động nên nhiệt độ của bức xạ và plasma bằng nhau cho đến khi plasma tái hợp. Trước khi nguyên tử được hình thành thì bức xạ bị hấp tụ và tái phát xạ đều trong một quá trình gọi là tán xạ Compton: vũ trụ vào giai đoạn sơ khai không trong suốt với ánh sáng. Tuy nhiên, quá trình nhiệt độ của vũ trụ bị giảm đi khi giãn nở làm cho nhiệt độ xuống thấp hơn 3000 K, tại nhiệt độ này thì điện tử và hạt nhân kếp hợp với nhau để tạo ra nguyên tử và các plasma nguyên thủy bị biến thành khí trung hòa. Quá trình này được gọi là quá trình giải phóng quang tử. Một vũ trụ chỉ gồm các nguyên tử trung hòa cho phép bức xạ truyền qua mà không bị cản trở nhiều.
Vì tại các giai đoạn sớm, vũ trụ ở trong trạng thái cân bằng nhiệt động nên bức xạ từ thời điểm này có phổ phân bố giống như phổ phát xạ của một vật đen được truyền một cách tự do cho đến ngày nay sẽ bị dịch chuyển đỏ theo định luật Hubble. Bức xạ đó phải được giống nhau theo mọi hướng trong không gian.
Năm 1964, Arno Penzias và Robert Wilson đã phát hiện ra bức xạ phông vũ trụ khi họ tiến hành nghiên cứu một máy thu tín hiệu vi sóng ở phòng thí nghiệm Bell. Khám phá của họ đã khẳng định tiên đoán về bức xạ phông vũ trụ, một bức xạ đẳng hướng và đồng nhất phân bố giống như phổ phát xạ của vật đen có nhiệt độ khoảng 3 K. Penzias và Wilson được trao giải Nobel về vật lý nhờ khám phá này.
Năm 1989, cơ quan hàng không vũ trụ Hoa Kỳ NASA đã phóng vệ tinh thăm dò phông vũ trụ (COBE), các kết quả ban đầu quan sát được rất phù hợp với các tiên đoán của lý thuyết vụ nổ lớn liên quan đến bức xạ phông vũ trụ. COBE đã tìm thấy nhiệt độ dư là 2,726 K và xác định được rằng bức xạ đó là đẳng hướng với độ chính xác 10-5. Vào những năm 1990, tính dị hướng của bức xạ phông vũ trụ được nghiên cứu rất chi tiết bằng rất nhiều các thí nghiệm và kết quả là về mặt hình học, vũ trụ là phẳng (xem hình dáng của vũ trụ).
Vào đầu năm 2003 các kết quả từ vệ tinh dị hướng vi sóng Wilkinson (WMAP) được phóng và đã thu được các giá trị chính xác nhất về các thông số vũ trụ. Vệ tinh này cũng loại bỏ một số mô hình lạm phát vũ trụ đặc biệt nhưng nhìn chung thì các kết quả phù hợp với lý thuyết lạm phát.
Sự hình thành các nguyên tố cơ bản
Sử dụng mô hình vụ nổ lớn, người ta có thể tính được mật độ helium-4, helium-3, deuterium và lithium-7 trong vũ trụ so với mật độ của hydrogen dựa trên tỷ lệ quang tử/baryon. Tỷ lệ tính toán là khoảng 0,25 đối với 4He/H, khoảng 10-3 đối với 2H/H, khoảng 10-4 đối với 3He/H và khoảng 10-9 đối với 7Li/H.
Tất cả cá giá trị đều rất phù hợp với tính toán từ tỷ lệ baryon/quang tử. Đây cũng được coi là một trong những bằng chứng rõ ràng nhất về vụ nổ lớn, đây là lý thuyết duy nhất có thể giải thích được sự thống trị của các nguyên tố nhẹ trong vũ trụ. Trên thực tế, không có kết quả thực nghiệm nào nằm ngoài khuôn khổ lý thuyết vụ nổ lớn, ví dụ, vũ trụ có nhiều helium hơn deuterium hoặc có nhiều deuterium hơn 3He.
Sự phân bố và tiến hóa của các thiên hà
Các nghiên cứu thực nghiệm về hình dáng và phân bố của các thiên hà và các quasar đã cho những bằng chứng rất thuyết phục về vụ nổ lớn. Kết hợp các quan sát và tính toán lý thuyết gợi ý rằng các quasar và các thiên hà được hình thành khoảng một tỷ năm sau vụ nổ lớn, và từ đó các cấu trúc lớn hơn được hình thành như các nhóm thiên hà, đám thiên hà và siêu đám thiên hà. Các ngôi sao cũng già đi và tiến hóa, do đó, các thiên hà xa xôi (chúng ta thấy ở chúng ở giai đoạn sớm của vũ trụ) sẽ rất khác các thiên hà gần hơn (chúng ta sẽ thấy chúng ở giai đoạn muộn hơn). Hơn nữa, các thiên hà hình thành gần đây sẽ rất khác với các thiên hà cũng ở gần như thế nhưng hình thành tại các giai đoạn rất sớm sau vụ nổ lớn. Các quan sát này là các chứng cớ phủ nhận mô hình trạng thái dừng. Các quan sát về sự hình thành các ngôi sao, sự phân bố của các thiên hà và quasar, và các cấu trúc lớn hơn phù hợp rất tốt với mô hình lý thuyết về cấu trúc của vũ trụ và cho phép hoàn thiện các tính toán chi tiết.
Về mặt lịch sử, có rất nhiều các bài toán xuất hiện trong lý thuyết Vụ Nổ Lớn. Một số bài toán chủ yếu có tính lịch sử và được khắc phục bằng cách thay đổi lý thuyết hoặc thông qua các kết quả thực nghiệm chính xác hơn. Một số vấn đề khác như là bài toán phân bố và bài toán thiên hà lùn về vật chất tối lạnh không được coi là quan trọng vì chúng chỉ liên quan đến các hiệu chỉnh của lý thuyết.
Có một số lý thuyết không tin vào sự tồn tại của Vụ Nổ Lớn, cho rằng nghiệm của các bài toán chuẩn là do các sửa đổi và bổ sung tùy ý vào lý thuyết. Phần lớn các lý thuyết đó tấn công vào các hiện tượng như vật chất tối, năng lượng tối và thăng giáng vũ trụ. Các vấn đề này là các bài toán chưa có lời giải trong vật lý, chúng tuy chưa có lời giải nhưng có nhiều quan sát ủng hộ chúng, đó là bức xạ phông vi sóng, cấu trúc vũ trụ tại các nấc thang vĩ mô và các sao siêu mới loại IA. Hiệu ứng hấp dẫn của các thực thể này đã được hiểu về mặt thực nghiệm và lý thuyết thậm chí các mô hình để giải thích cho chúng chưa hoàn toàn phù hợp với mô hình chuẩn của vật lý hạt. Tuy vậy, phần lớn các nhà thiên văn học và các nhà vật lý đều đồng ý rằng sự phù hợp giữa giả thuyết về vụ nổ lớn và các quan sát đã thiết lập các nền tảng cho lý thuyết này.
Sau đây liệt kê tóm tắt các bài toán của lý thuyết Vụ Nổ Lớn.
Bài toán về chân trời
Bài toán về chân trời phát sinh từ việc thông tin không thể truyền nhanh hơn vận tốc ánh sáng, do đó sẽ có hai vùng không gian cách nhau một khoảng cách lớn hơn quãng đường mà ánh sáng đi được trong một thời gian bằng tuổi của vũ trụ. Như vậy, nếu hai vật thể ở đầu hai khoảng cách xa đến thế, sẽ không thể biết được thông tin về nhau, điều này tương tự như tồn tại một chân trời, mà đằng sau nó, chúng không có mối quan hệ nhân quả với chúng ta. Như thế thì tính đẳng hướng của bức xạ phông vũ trụ sẽ không chắc chắn bởi vì kích thước của chân trời hạt tại thời điểm này chỉ tương ứng với kích thước của hai độ khối trên bầu trời. Nếu vũ trụ có lịch sử giãn nở giống nhau từ kỷ nguyên Planck thì sẽ không có lý do nào làm cho các vùng đó có cùng nhiệt độ.
Sự bất hợp lý này được giải quyết bằng lý thuyết lạm phát, lý thuyết này cho rằng trường năng lượng vô hướng đồng nhất và đẳng hướng thống trị vũ trụ tại thời điểm 10-35 giây sau kỷ nguyên Planck. Trong quá trình lạm phát, vũ trụ trải qua giai đoạn giãn nở theo hàm mũ và những vùng nằm trong mối liên hệ nhân quả sẽ giãn nở sao cho chúng nằm ngoài mối quan hệ nhân quả với chân trời của vùng khác. Nguyên lý bất định tiên đoán rằng, trong thời kỳ lạm phát có các thăng giáng nhiệt lượng tử được khuyếch đại lên đến quy mô vũ trụ. Các thăng giáng này, có vai trò như là các hạt nhân của các cấu trúc vũ trụ hiện thấy ngày nay. Sau thời kỳ lạm phát, vũ trụ giãn nở theo định luật Hubble và các vùng nằm bên ngoài mối quan hệ nhân quả sẽ trở lại chân trời. Điều này giải thích tính đẳng hường của bức xạ phông vũ trụ. Thuyết lạm phát còn tiên đoán thăng giáng nguyên thủy hầu như không đổi được coi là bất biến khoảng cách và tuân theo phân bố Gauss được khẳng định bằng các quan sát về bức xạ phông vũ trụ.
Bài toán về độ phẳng
Bài toán về độ phẳng là một bài toán thực nghiệm phát sinh từ việc nghiên cứu hình dáng vũ trụ liên quan đến nghiệm Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker. Nói chung, vũ trụ có thể có ba loại hình dáng: hình hyperbol, hình Euclide và hình ellip. Hình dáng của vũ trụ phụ thuộc vào mật độ năng lượng toàn phần của vũ trụ (được đo bằng ten sơ ứng suất-năng lượng): nếu mật độ nhỏ hơn mật độ tới hạn thì vũ trụ sẽ có dạng hình hyperbol, nếu lớn hơn thì có dạng ellip, còn nếu đúng bằng giá trị đó thì sẽ có dạng Euclide. Giá trị mật độ năng lượng hiện nay của vũ trụ đo được chỉ khác độ một phần 1015 size 12{"10" rSup { size 8{"15"} } } {} giá trị mật độ tới hạn trong trạng thái ban đầu của nó. Các thay đổi khác (với giá trị một phần 1015 size 12{"10" rSup { size 8{"15"} } } {}) sẽ dẫn đến hoặc Cái Chết Nhiệt hoặc Vụ Co Lớn và vũ trụ sẽ không tồn tại như hiện nay.
Lời giải cho bài toán này lại một lần nữa là lý thuyết lạm phát. Trong thời kỳ lạm phát, không-thời gian giãn nở nhanh đến mức các độ cong có liên quan đều bị là phẳng đi và do đó vũ trụ có dạng phẳng.
Các đơn cực từ
Đơn cực từ là một trong những phản đề xuất hiện vào cuối những năm 1970. Lý thuyết thống nhất lớn tiên đoán các sai hỏng điểm trong không gian có vai trò như các đơn cực từ có mật độ cao hơn mật độ mà các quan sát thu được, và cho đến nay, chưa tìm thấy một đơn cực từ nào. Bài toán này cũng được giải bằng lý thuyết lạm phát, loại bỏ tất cả các sai hỏng điểm tương tự như giải quyết bài toán về độ phẳng của vũ trụ ở phần trước.
Bất đối xứng baryon
Người ta vẫn không hiểu tại sao có nhiều vật chất hơn phản vật chất. Giả thiết đưa ra là, khi vũ trụ còn trẻ và nóng, vũ trụ ở trong một trạng thái cân bằng thống kê và có số baryon bằng số phản baryon. Tuy nhiên, các quan sát cho thấy rằng tất cả vũ trụ đều được tạo thành từ vật chất, ngay cả tại những khoảng cách xa. Một quá trình chưa được biết đến được gọi là quá trình sinh hạt baryon tạo ra sự bất đối xứng này. Để quá trình sinh hạt baryon xuất hiện, các điều kiện Sakharov, do Andrei Sakharov đưa ra, cần phải được thỏa mãn. Các điều kiện đó yêu cầu số các baryon không được bảo toàn, tức là đối xứng-C và đối xứng-CP bị vi phạm, và vũ trụ xuất phát từ trạng thái cân bằng nhiệt động. Tất cả các điều kiện này xuất hiện trong Vụ Nổ Lớn, nhưng hiệu ứng của nó không đủ mạnh để giải thích sự tồn tại của bất đối xứng baryon. Các nghiên cứu mới về vật lý hạt năng lượng cao cần được tiến hành để giải thích vấn đề trên.
Các đám cầu
Vào giữa những năm 1990, các quan sát thực nghiệm về các đám cầu mâu thuẫn với lý thuyết Vụ Nổ Lớn. Các mô phỏng máy tính để làm khớp các quan sát thực nghiệm về số các thiên thể của các đám cầu cho thấy rằng chúng có tuổi khoảng 15 tỷ năm, mâu thuẫn với con số 13,7 tỷ tiên đoán từ lý thuyết Vụ Nổ Lớn. Bài toán này được giải quyết vào cuối những năm 1990, khi các mô phỏng máy tính tính đến sự mất mát khối lượng do gió thiên thể đã chỉ ra tuổi của các đám cầu trẻ hơn nhiều so với mô phỏng trước đây. Việc làm thế nào để đo chính xác tuổi của các đám cầu vẫn là vấn đề cần giải quyết, nhưng rõ ràng là các vật thể này là các vật thể già nhất trong vũ trụ.
Vật chất tối
Trong những năm 1970 và 1980 các quan sát thực nghiệm cho thấy rằng không có đủ vật chất khả kiến (vật chất quan sát được) để làm cho vật chất trong các thiên hà và giữa các thiên hà để giữ chúng quay bằng lực hấp dẫn. Điều này dẫn đến ý tưởng cho rằng 90% vật chất trong vũ trụ là vật chất không bình thường, không được tạo thành từ các hạt baryon và được gọi là vật chất tối. Nếu không có giả thuyết về vật chất tối thì không giải thích được tại sao vũ trụ lại quá phẳng và có quá ít deuterium đến thế. Lúc đầu, vật chất tối còn gây tranh cãi nhưng bây giờ nó được chấp nhận rộng rãi và được coi như một phần của vũ trụ chuẩn nhờ vào các quan sát về dị hướng của bức xạ phông vũ trụ, phân bố vận tốc của các đám thiên hà, phân bố cấu trúc tại các nấc thang lớn của vũ trụ, nghiên cứu về thấu kính hấp dẫn, các phép đo tia X về đám thiên hà. Vật chất tối chỉ được quan sát thông qua ảnh hưởng hấp dẫn của nó ngoài ra hiện chưa có bằng chứng gì khác. Tuy nhiên, có rất nhiều các ứng cử viên vật lý hạt cho vật chất tối, một vài dự án đang được tiến hành.
Năng lượng tối
Vào những năm 1990, các phép đo chi tiết về mật độ vật chất của vũ trụ cho thấy rằng giá trị đo được chỉ bằng 30% giá trị tới hạn. Từ quan sát bức xạ phông vũ trụ, người ta thấy vũ trụ là phẳng và 70% mật độ năng lượng của vũ trụ chưa được tính đến. Điều này liên quan đến một hiệu ứng khác, đó là vũ trụ giãn nở với một gia tốc chứ không phải tuân theo chính xác định luật Hubble. Để giải thích tính gia tốc của quá trình giãn nở, lý thuyết tương đối rộng yêu cầu phần lớn vũ trụ tạo thành từ một dạng năng lượng có áp suất âm gọi là năng lượng tối. Năng lượng tối này được cho rằng chính là phần 70% thiếu hụt từ quan sát bức xạ phông vũ trụ. Bản chất của năng lượng tối vẫn là một trong những bí mật vĩ đại nhất về Vụ nổ lớn. Các lời giải khả dĩ là sự tồn tại của một hằng số vũ trụ.
Trước khi có những bằng chứng về năng lượng tối, các nhà vũ trụ học đưa ra hai kịch bản về tương lai của vũ trụ. Nếu mật độ khối lượng của vũ trụ cao hơn mật độ tới hạn thì vũ trụ sẽ giãn nở đến một kích thước cực đại rồi bắt đầu co lại. Sau đó, vũ trụ sẽ trở lên đặc hơn và kết thúc ở một trạng thái tương tự như trạng thái mà nó sinh ra - một Vụ co lớn. Nhưng nếu mật độ vũ trụ bằng hoặc thấp hơn mật độ tới hạn thì sự giãn nở sẽ chậm đi nhưng không bao giờ dừng lại. Sự hình thành các vì sao sẽ không còn nữa và vũ trụ trở lên loãng và lạnh hơn. Nhiệt độ của vũ trụ sẽ tiệm cận đến nhiệt độ không tuyệt đối. Các hố đen sẽ bay hơi hết. Entropy của vũ trụ sẽ tăng đến một điểm mà ở đó không còn một dạng năng lượng nào có thể được phát ra từ đó, kịch bản này gọi là cái chết nhiệt. Hơn nữa, nếu quá trình phân rã proton mà có thực thì hiđrô, nguyên tố phổ biến nhất của vật chất baryon sẽ biến mất chỉ để lại sau nó là các bức xạ.
Các quan sát hiện đại về quá trình giãn nở gia tốc gợi ý rằng ngày càng có nhiều vật chất khả kiến hiện nay sẽ đi ra khỏi chân trời sự kiện và thoát khỏi tầm tương tác với chúng ta. Kết quả cuối cùng thế nào chúng ta vẫn chưa biết. Mô hình Lambda-CDM về vũ trụ có chứa năng lượng tối ở dạng một hằng số vũ trụ. Lý thuyết này gợi ý rằng chỉ có các hệ liên kết với nhau bằng lực hấp dẫn như là các thiên hà là có thể liên kết với nhau và chúng có thể chịu cái chết nhiệt khi vũ trụ giãn nở và lạnh đi. Một số giải thuyết cho rằng năng lượng tối là năng lượng ma và gợi ý rằng các đám thiên hà và ngay cả các thiên hà sẽ bị kéo ra xa khỏi nhau và sự giãn nở sẽ tăng lên mãi mãi trong một quá trình gọi là Sự xé lớn.
Trong vũ trụ học, lý thuyết Vụ nổ lớn đang được hoàn thiện và được tinh chỉnh trong tương lai. Nhưng người ta vẫn chưa biết nhiều về giai đoạn sớm nhất của vũ trụ, khi quá trình lạm phát xảy ra. Về nguyên tắc, chúng ta có thể quan sát được một phần vũ trụ ở thời đó. Nếu là trường hợp lạm phát thì điều này đòi hỏi: sự giãn nở theo hàm mũ sẽ đẩy nhiều vùng không gian ra khỏi chân trời quan sát của chúng ta. Có thể là vùng không gian đó sẽ giảm đi khi chúng ta hiểu rõ hơn vật lý năng lượng cao. Người ta trông đợi nhiều vào lý thuyết lượng tử hấp dẫn.
Một số giả thuyết đưa ra là:
* Lạm phát vũ trụ
* Mô hình Vũ trụ màng: coi Vụ nổ lớn là sự va chạm giữa các màng
* Vũ trụ dao động: vũ trụ ở trạng thái ban đầu rất nóng, đặc là kết quả của Vụ co lớn. Vũ trụ có thể đã trải qua vô số những vụ nổ, co như vậy.
* Mô hình có điều kiện biên Hartle-Hawking: toàn bộ không thời gian là hữu hạn.
Một số kịch bản là tương đương với nhau, tất cả các kịch bản đều có chứa các yếu tố chưa được kiểm chứng.
Có rất nhiều các giải thích ý nghĩa của Vụ nổ lớn nằm ngoài phạm vi khoa học. Một số giả thuyết cho rằng Vụ nổ lớn là tự thân (nguyên nhân đầu tiên) nhưng bị các nhà triết học theo phái tự nhiên chủ nghĩa phê phán là coi lý thuyết Vụ nổ lớn là thần thoại về sự sáng thế. Một số người cho rằng Vụ nổ lớn ủng hộ quan điểm Sáng thế trong Kinh thánh, trong khi một số người khác thì cho rằng nó hoàn toàn không phù hợp với các tín điều trong Kinh thánh. Lý thuyết Vụ nổ lớn là một lý thuyết khoa học, nó không liên quan đến bất kỳ một tôn giáo nào.
Sau đây là một số cách giải thích về Vụ nổ lớn của một số tôn giáo:
* Rất nhiều người biện giải cho Cơ đốc giáo, đặc biệt là Giáo hội Công giáo La Mã đã chấp nhận Vụ nổ lớn là bằng chứng về nguồn gốc của vũ trụ, coi đó là nguyên nhân đầu tiên. Giáo hoàng Pius XII ủng hộ lý thuyết này từ khi nó chưa được chấp nhận rộng rãi.
* Ngoài ra còn một số người theo đạo Do thái và những người tin theo thuyết phi hình người chấp nhận Vụ nổ lớn, điển hình là học giả người Do thái Moses Maimonides.
* Tín đồ Hồi giáo cũng tin rằng vụ nổ lớn chính là sự sáng thế trong Kinh Qur`an.
* Một số người theo thuyết hữu thần trong Ấn độ giáo cũng tin như vậy.
* Phật giáo thừa nhận một vũ trụ vĩnh hằng, không có quá trình sáng thế. Tuy nhiên, Vụ nổ lớn không được coi là mâu thuẫn với Phật giáo vì có nhiều cách để có được một vũ trụ vĩnh cửu. Nhiều nhà Thiền học nghiêng về vũ trụ dao động.
