Từ nguyên

Fred Hoyle là người đầu tiên sử dụng thuật ngữ Big Bang năm 1949 trên một chương trình radio của BBC. Hoyle là người ủng hộ "Thuyết trạng thái dừng" của vũ trụ, và ông đưa ra thuật ngữ này để ví von khôi hài mô hình lý thuyết của những người khác về vũ trụ giãn nở. Hoyle phê phán mạnh mẽ cũng như bác bỏ lý thuyết này và nói rằng thuật ngữ Big Bang khắc họa sự khác biệt lớn giữa hai mô hình.[45][46][47]

Lịch sử phát triển

Vạch hấp thụ của một siêu đám thiên hà ở xa (phải) so với những vạch phát ra từ Mặt Trời (trái), mũi trên chỉ sự dịch chuyển đỏ.So sánh độ phân giải bức xạ phông vi sóng từ các quan sát.So sánh độ phân giải ở mức chi tiết hơn của CMB từ COBE, WMAP và Planck.

Mô hình Vụ Nổ Lớn phát triển từ những quan sát về cấu trúc của Vũ trụ và từ phương diện lý thuyết. Năm 1912 Vesto Slipher đo dịch chuyển Doppler của "tinh vân xoắn ốc" (thời đó người ta chưa biết tinh vân xoắn ốc là các thiên hà), và ông sớm phát hiện ra đa số các tinh vân này đang lùi ra xa Trái Đất. Nhưng ông không nhận ra ý nghĩa vũ trụ của phát hiện này, bởi vì trong thời gian này có tranh cãi lớn xung quanh những tinh vân này có hay không là những "hòn đảo vũ trụ" bên ngoài Ngân Hà.[48][49] Cuối năm 1915, Albert Einsein hoàn thiện thuyết tương đối rộng, và năm 1917 ông áp dụng lý thuyết của mình cho toàn thể vũ trụ. Tuy nhiên các phương trình của ông tiên đoán vũ trụ có thể co lại bởi trường hấp dẫn hút vật chất về nhau. Để cho vũ trụ tĩnh tại như mọi người đương thời cũng như ông từng nghĩ, ông đã đưa thêm hằng số vũ trụ học-có ý nghĩa như một lực đẩy nhằm cân bằng với lực hấp dẫn-vào các phương trình của mình.[50] Năm 1922, Alexander Friedmann, nhà toán học và vũ trụ học người Nga đã suy luận ra phương trình Friedmann từ phương trình trường Einstein, và phát hiện ra vũ trụ đang giãn nở mà không cần một hằng số vũ trụ học như Einstein đã nêu ra.[51] Năm 1924 những đo lường của nhà thiên văn học người Mỹ Edwin Hubble đối với khoảng cách đến những tinh vân mà ông có thể quan sát ở thời đó chỉ ra rằng, quả thực những tinh vân xoắn ốc này là các thiên hà. Cũng trong năm 1924 Carl Wilhelm Wirtz, và năm 1925 Knut Lundmark, hai người đã nhận ra các tinh vân ở xa hơn thì lùi ra xa nhanh hơn so với các tinh vân ở gần.[50] Georges Lemaître và Einstein sau khi thuyết trình về nguồn gốc vũ trụ, đây là một lý thuyết khoa học về cách vũ trụ bắt đầu, mà đã tiếp tục tạo ra các ngôi sao và các thiên hà ngày nay. Lemaitre qua đời vào ngày 20 tháng 6 năm 1966, ngay sau khi biết được phát hiện bức xạ nền vi sóng vũ trụ.

Điều này cung cấp thêm bằng chứng cho lý thuyết của ông về sự ra đời của vũ trụ. Công việc của Lemaitre đã được công nhận rộng rãi trên toàn thế giới, và có ảnh hưởng to lớn cho đến ngày nay. Năm 1931 Lemaître tiếp tục nghiên cứu trước đó và đề xuất về manh mối cho sự giãn nở của Vũ trụ, nếu chúng ta đi ngược lại thời gian, vào thời điểm càng xa trong quá khứ thì vũ trụ càng nhỏ hơn, cho đến một thời điểm hữu hạn ở quá khứ, mọi khối lượng và năng lượng của Vũ trụ tập trung lại tại một điểm, gọi là "nguyên tử nguyên thủy", nơi bắt đầu hình thành lên cấu trúc không thời gian.[52] Ông là người đầu tiên đề xuất lý thuyết về giãn nở vũ trụ, mà người ta thường hay gán nhầm cho Edwin Hubble

Bắt đầu từ năm 1924, Hubble nỗ lực phát triển phương pháp đo khoảng cách đến những thiên hà xa, dựa trên sự biến đổi độ sáng của các sao Cepheid-một ngọn nến chuẩn để đo khoảng cách đến các thiên hà cho các nhà thiên văn-bằng sử dụng kính thiên văn mới lắp đặt Hooker đường kính 2.500 mm tại đài quan sát núi Wilson. Nhờ kính mới mà ông đã có thể ước tính được khoảng cách đến những thiên hà có độ dịch chuyển đỏ đã được đo trước đó bởi Slipher. Năm 1929 Hubble phát hiện ra tương quan giữa khoảng cách và vận tốc lùi xa của thiên hà—mà ngày nay gọi là định luật Hubble.[15][53] Lemaître cũng đã từng đoán ra định luật này dựa trên nguyên lý vũ trụ học và phương trình Friedmann.[37] Sau tất cả những khám phá trên, Einstein đã từ bỏ hằng số vũ trụ học và gọi đây là sai lầm lớn nhất của ông. Vì ông nhận ra là đã dựa trên niềm tin có từ lâu về vũ trụ tĩnh tại, mà thực tế mô hình này chưa hề được kiểm chứng do trước đây chỉ là niềm tin từ các nhà triết học cũng như cộng đồng khoa học.[50]

Trong các thập niên 1920 và 1930 đa số các nhà vũ trụ học ủng hộ cho mô hình "Trạng thái dừng", một Vũ trụ tĩnh tại và vĩnh hằng. Một số người còn cho rằng khái niệm về sự khởi đầu của thời gian từ Vụ Nổ Lớn là mang vai trò của tôn giáo vào trong vật lý; những chống đối này sau này còn được những người ủng hộ thuyết Trạng thái dừng lặp lại.[54] Sự nhận thức của họ còn được củng cố bởi vì nhà sáng lập thuyết Big Bang, Monsignor Georges Lemaître, là một thầy tu Công giáo La Mã.[55] Arthur Eddington ủng hộ quan điểm của Aristotle khi cho rằng vũ trụ không có sự khởi đầu của thời gian, hay vật chất là tồn tại vĩnh hằng. Sự khởi đầu thời gian là điều "không thể chấp nhận" đối với ông.[56][57] Tuy thế, Lemaître đã viết

Nếu thế giới bắt đầu từ một điểm lượng tử, những khái niệm không gian và thời gian sẽ không có bất cứ một ý nghĩa gì tại thời điểm khởi đầu; nó chỉ bắt đầu có một ý nghĩa nhận thức được khi lượng tử ban đầu đã phân chia thành đủ một số lượng tử. Nếu đề xuất này là đúng, sự khởi nguyên của thế giới có thể còn hơi sớm hơn sự khởi đầu của không gian và thời gian.[58]

Ở câu trên ý của Lemaître về sự phân chia lượng tử theo cách hiểu ngày nay chính là tiến trình của Vụ Nổ Lớn từ một nguyên tử nguyên thủy. (điểm lượng tử)

Trong thập niên 1930 những ý tưởng khác cũng đã được đề xuất như những mô hình vũ trụ học không tiêu chuẩn nhằm giải thích các kết quả quan sát của Hubble, bao gồm "mô hình Milne";[59] "Vũ trụ dao động", một vũ trụ nở ra rồi co lại trở về điểm kì dị ban đầu (do Friedmann đề xuất đầu tiên, với Albert Einstein và Richard Tolman là những người ủng hộ);[60] và giả thiết về "sự mỏi" ánh sáng của Fritz Zwicky.[61]

Sau chiến tranh thế giới lần thứ II, hai mô hình nổi bật còn đứng vững. Một là mô hình "Trạng thái dừng" của Fred Hoyle, với đề xuất khả năng vật chất được sinh ra khi vũ trụ giãn nở. Trong mô hình này vũ trụ gần như nhau tại mọi điểm trong thời gian.[62] Mô hình kia là mô hình Vụ Nổ Lớn do Lemaître khởi xướng, và George Gamow là người ủng hộ và phát triển lý thuyết với khái niệm tổng hợp hạt nhân Vụ Nổ Lớn (BBN), một khái niệm ông nêu ra khi nghiên cứu quá trình và nguồn gốc sinh ra các nguyên tố nhẹ nhất.[63] Những người khác như Ralph Alpher và Robert Herman cũng ủng hộ lý thuyết và tiên đoán sự tồn tại của bức xạ nền vi sóng (CMB).[64] Và kỳ quặc là chính Hoyle đã nêu ra tên gọi Big Bang cho lý thuyết của Lemaître trong chương trình radio của BBC vào tháng 3 năm 1949.[65][ct 4] Trong một thời gian, số lượng người ủng hộ cho hai lý thuyết là gần bằng nhau. Cuối cùng, những quan sát thiên văn, chủ yếu từ các nguồn vô tuyến, bắt đầu ủng hộ Vụ Nổ Lớn và đánh bại Thuyết trạng thái dừng. Sự phát hiện và xác nhận tính chất của bức xạ nền vi sóng vũ trụ vào năm 1964[67] mang lại thắng lợi cho Vụ Nổ Lớn và lý thuyết trở thành mô hình phù hợp nhất cho nguồn gốc và sự tiến hóa của Vũ trụ. Những nghiên cứu hiện nay trong vũ trụ học bao gồm sự hình thành sao và thiên hà sau Vụ Nổ Lớn, quan sát và đo lường chính xác hơn bức xạ phông vi sóng cũng như tốc độ giãn nở của vũ trụ, kiểm nghiệm cơ sở của Nguyên lý vũ trụ học. Về phương diện lý thuyết đó là tìm hiểu điểm kì dị tại Vụ Nổ Lớn cũng như về một lý thuyết hấp dẫn lượng tử và tương lai tối hậu của vũ trụ.

Những tiến bộ quan trọng trong vũ trụ học Vụ Nổ Lớn đã diễn ra từ cuối thập niên 1990 nhờ sự phát triển của công nghệ cũng như hiệu quả trong xử lý dữ liệu từ những dự án khảo sát như COBE,[68] kính thiên văn không gian Hubble, WMAP.[69] và tàu Planck[2] Các nhà vũ trụ học hiện nay đã có những dữ liệu chính xác về các tham số của mô hình Vụ Nổ Lớn, và bất ngờ đã phát hiện ra sự giãn nở đang tăng tốc của không gian vũ trụ.