Tại sao vũ trụ tồn tại?

Có lý do khoa học nào giải thích tại sao vũ trụ tồn tại không?

Nói cách khác, khoa học lý giải thế nào về việc tại sao lại có thứ gì đó tồn tại, thay vì không có gì cả?

Câu trả lời liên quan đến những thứ đối lập. Các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng vũ trụ tồn tại vì nó bắt đầu với một sự mất cân bằng rất nhỏ giữa vật chất và phản vật chất. Các hạt vật chất - tức là tất cả electron, proton và neutron trong các nguyên tử và phân tử của các vật thể thông thường - khác với các hạt phản vật chất, vốn mang điện tích đối lập nhưng lại có nhiều điểm tương đồng.

Vật chất và phản vật chất không thể tồn tại cùng nhau. Khi các hạt của chúng va chạm, chúng sẽ hủy diệt lẫn nhau trong một vụ nổ tia gamma dữ dội. May mắn thay, phản vật chất hiện nay cực kỳ hiếm. Mặc dù phản vật chất từng có vai trò nền tảng trong sự hình thành của vũ trụ, nhưng việc hiện giờ nó lại quá ít là một trong những bí ẩn lớn nhất của ngành vũ trụ học.

Phản vật chất đã được nhà vật lý người Anh Paul Dirac dự đoán cách đây gần 100 năm như một phần trong công trình tiên phong của ông về cơ học lượng tử, và nó đã được xác nhận bằng thực nghiệm từ những năm 1930. Ngày nay, các nhà khoa học có thể tạo ra phản vật chất trong các máy gia tốc hạt như Máy gia tốc hạt lớn (Large Hadron Collider).

Nhưng theo Pasquale Di Bari, giáo sư vật lý và thiên văn học tại Đại học Southampton ở Anh, Dirac đã dự đoán rằng nên có lượng vật chất và phản vật chất bằng nhau. Vì vậy, việc hiện giờ có quá ít phản vật chất và quá nhiều vật chất - bao gồm tất cả các ngôi sao trong tất cả các thiên hà trong vũ trụ, mặc dù một số nhà khoa học từng gợi ý rằng có thể có "phản thiên hà" của "phản sao" và đó là một vấn đề khoa học lớn.

"Chúng tôi nghĩ rằng vũ trụ bắt đầu với tỷ lệ 50-50 vật chất-phản vật chất trong Vụ Nổ Lớn (Big Bang) nhưng ngay sau đó đã bị vật chất chiếm ưu thế", Tara Shears, một nhà vật lý hạt tại Đại học Liverpool, cho biết. "Để điều này xảy ra, cần phải có một sự khác biệt rất nhỏ, hay bất đối xứng, trong hành vi của vật chất và phản vật chất để cho phép một loại cuối cùng chiếm ưu thế hơn loại kia."

Nhưng "sự khác biệt này không được dự đoán, không được hiểu và chắc chắn không được giải thích", Shears tiếp tục. "Hiểu được sự khác biệt này là vấn đề chúng ta muốn giải quyết; đây là vấn đề bất đối xứng vật chất-phản vật chất."

Theo Dirac, các thuật ngữ "vật chất" và "phản vật chất" gần như là tùy ý. "Vật chất" đề cập đến các hạt thông thường, và "phản vật chất" đề cập đến các phản hạt nhưng lẽ ra nó có thể ngược lại. Nếu chúng không bị hủy diệt phần lớn, các hạt phản vật chất có thể đã hình thành một vũ trụ của các phản nguyên tử và phản phân tử. Cuối cùng, bất cứ thứ gì chiếm ưu thế thì được đặt tên là vật chất, và thứ đối lập của nó được đặt tên là phản vật chất.

Những gì còn lại của vũ trụ

Sử dụng các quan sát từ các máy gia tốc hạt, dấu vết của sự phân rã phản vật chất trong quang phổ thiên văn và sóng hấp dẫn, các nhà vật lý đang cố gắng hiểu rõ hơn lý do tại sao có sự chênh lệch lớn không thể giải thích này trong vũ trụ, vốn đã tạo ra mọi thứ mà nó chứa đựng.

Di Bari ước tính ban đầu có thể có nhiều tỷ lần nhiều hơn các hạt vật chất và phản vật chất so với hiện tại, trước khi chúng phần lớn hủy diệt lẫn nhau trong những phần nhỏ của giây đầu tiên sau Vụ Nổ Lớn. "Những gì chúng ta được tạo thành là từ những gì còn sót lại," ông nói với Live Science.

Raymond Volkas, một nhà vật lý hạt lý thuyết tại Đại học Melbourne, nói thêm rằng một lý do cho sự bất đối xứng đã được nhà vật lý Liên Xô Andrei Sakharov phác thảo vào năm 1967.

Sakharov đề xuất rằng sự bất đối xứng này tồn tại vì các hạt vật chất và phản vật chất không phải là đối lập hoàn toàn, mà thay vào đó chúng phản ứng khác nhau với một số lực cơ bản trong một số trường hợp nhất định - một hiện tượng được gọi là "vi phạm C và CP."

Các nguyên tắc chung của "vi phạm C và CP" đã được biết đến, nhưng các chi tiết cụ thể thì chưa, Volkas cho biết. "Có rất nhiều khả năng đang được xem xét!" ông nói. "Thách thức là phải phân biệt chúng bằng thực nghiệm."

Nguồn: Live Science