(Bài viết này mình cùng bạn Cam Vu viết năm 2017, đăng trên Tạp chí Olympiad Hóa học KEM và dưới đây là một trích đoạn ở phần đầu)
Trong suốt lịch sử, phong cảnh màn đêm đầy sao của vũ trụ luôn là niềm hứng khởi, tiếp sức cho trí tưởng tượng tập thể, góp phần tạo ra nghệ thuật vĩ đại và những hiểu biết sâu sắc của nhân loại. Qua hàng nghìn năm, con người luôn tin rằng mình là trung tâm của vũ trụ, trước khi bị Corpenicus thức tỉnh khỏi sự huyễn hoặc ấy vào thế kỉ 16. Đến thế kỉ 20, với những đột phá khoa học, nhân loại đã dần khám phá ra cội nguồn và hiểu được vị thế của mình trong vũ trụ mênh mông. Bài viết này sẽ dẫn bạn về thuở hồng hoang của vũ trụ, từ vụ nổ lớn Big Bang cho đến khi những nguyên tố hóa học được tạo thành.
Một trong những lí thuyết được chấp nhận rộng rãi nhất để giải thích về sự hình thành vũ trụ là thuyết Vụ nổ lớn (Big Bang). Theo thuyết này, vũ trụ khởi phát cách đây khoảng 14 tỉ năm, từ một trạng thái vô cùng nhỏ, vô cùng nóng và vô cùng đặc. Chỉ trong một khoảnh khắc rất nhỏ, từ thời điểm khoảng 10^-43 giây tới 10^-32 giây, năng lượng chân không đã đưa vũ trụ vào một giai đoạn giãn nở lạm phát điên rồ, khiến cho kích thước của nó tăng lên khoảng 10 mũ 30 lần. Tiếp đó, vũ trụ giãn nở với tốc độ chậm hơn và nguội dần đi.
Các hạt cơ bản (các quark, electron và neutrino) – những viên gạch của vật chất – đã xuất hiện và kết hợp với nhau, tạo thành các hạt nhân hydrogen (proton) và helium, chỉ sau Big Bang chừng 3 phút. Hầu như toàn bộ hạt nhân hydrogen và helium đã được tạo thành từ những phút đầu sau vụ nổ. Tuy nhiên, các hạt nhân helium rất bền, trơ lì trong việc tạo liên kết hóa học, và hydrogen hầu như không thể tìm ra đối tác khác để kết hợp. Mặt khác, nhiệt độ độ và mật độ bị giảm bởi sự giãn nở của vũ trụ nên quá trình tổng hợp hạt nhân kết thúc nhanh chóng. Ý định tạo thành các nguyên tố nặng hơn của vũ trụ đã thất bại đầy cay đắng ở lần đầu tiên theo cách như vậy.
Vũ trụ vẫn tiếp tục giãn nở và nguội dần. Đây là thời kì không có các ngôi sao và hành tinh, chỉ có những đám mây khí tạo thành từ hydrogen. Các photon không thể xuyên qua khu rừng dày đặc những electron tự do và không thể hoàn thành vai trò truyền dẫn ánh sáng, thông tin. Thế nên, 300.000 năm sau Big Bang là thời điểm xa nhất trong quá khứ mà chúng ta có thể tiếp cận được nhờ các kính thiên văn. Khoảng thời gian trước đó được gọi là Dark Ages (Thời kì Tăm tối). Nguyên tố trong thời gian này ở trạng thái plasma và phải đến năm thứ 300.000, lực điện từ mới phát huy tác dụng: nó đẩy các hạt nhân hydrogen và helium (điện tích dương) lại gần các electron (điện tích âm) để tạo thành các nguyên tử trung hoà điện đầu tiên. Sự kiện này có ý nghĩa vô cùng quan trọng, bởi việc electron bị giữ chặt trong các nguyên tử đã tạo ra khoảng trống mênh mông để các photon tự do di chuyển. Vũ trụ đã cởi bỏ tấm áo choàng của mình!
Còn lực hấp dẫn không ngừng hút các vật chất lại thành các những đám mây ngưng tụ đậm đặc. Nhiệt độ ở những điểm đậm đặc này liên tục tăng lên – trái với sự giảm nhiệt độ do giãn nở vũ trụ. Vài trăm triệu năm sau, khi nhiệt độ vượt quá 10 triệu độ, các phản ứng hạt nhân của hydrogen lại được khởi phát và các đám ngưng tụ phát sáng: đó là khi những ngôi sao đầu tiên ra đời. Tiếp đó, những ngôi sao này hợp với nhau thành cụm gồm hàng tỉ ngôi để tạo thành những thiên hà khổng lồ. Vậy là, với sự hỗ trợ của lực hấp dẫn, vũ trụ đã sáng tạo ra các ngôi sao và tự cung cấp cho chính nó cơ hội để tiếp tục đổi mới và sáng tạo.
Những ngôi sao – cũng là những lò luyện hạt nhân tuyệt vời – đã tạo ra những nguyên tố hoá học nặng hơn helium, là những hạt mầm cần thiết cho sự sống. Sau đó, các siêu tân tinh – sự bùng nổ của những ngôi sao – đã gieo vào không gian những nguyên tố nặng, góp phần tạo nên những hành tinh. Và 4,5 tỉ năm trước, Trái đất – một trong số những hành tinh quay quanh Mặt trời, ngôi sao ở ngoại vi một thiên hà Ngân hà – đã ra đời. Trên hành tinh này, bước chuyển phi thường từ cái vô sinh sang hữu sinh đã xuất hiện và kiến tạo nên sự sống.
(Bài viết có tham khảo từ Orgines (bản dịch tiếng Việt: Nguồn gốc – Nỗi hoài niệm về những thuở ban đầu) của GS. Trịnh Xuân Thuận.)
