Tuổi của Vũ trụ và Trái Đất: Những con số trong sách giáo khoa có thật sự chính xác?

Những khám phá mới của giới thiên văn đã cung cấp cho chúng ta một cái nhìn mới để tuổi thọ thực sự của Trái Đất và Vũ trụ, khác với nhận định trước đây chúng ta vẫn thường được học trong sách giáo khoa.

Hiện nay, có hai phương pháp chính để ước tính tuổi của vũ trụ. Phương pháp đầu tiên là tính tuổi của các ngôi sao lùn trắng mờ nhất trong một quần thể tinh cầu (globular cluster). Phương pháp này dựa trên các lý thuyết hiện hành về sự tiến hóa của sao. Các nhà khoa học tin rằng quần thể tinh cầu là những thiên hà lâu đời nhất trong vũ trụ và sao lùn trắng là những ngôi sao già nua nhất trong một thiên hà. Hơn nữa, một ngôi sao lùn mà càng mờ, thì tuổi của nó càng lớn. Sao lùn trắng là một ngôi sao có khối lượng tương đương với Mặt Trời và thể tích tương tự Trái Đất. Nó có thể đậm đặc hơn nước một triệu lần. Sao lùn trắng đang nguội dần sẽ tỏa nhiệt và ánh sáng. Vì vậy, bằng cách tính toán thời gian nguội, các nhà khoa học có thể ước tính tuổi của nó và tuổi của vũ trụ.

Sử dụng dữ liệu sao lùn mới nhất từ kính thiên văn Hubble, các nhà khoa học ước tính tuổi của vũ trụ là vào khoảng 13-14 tỷ năm tuổi.

Phương pháp thứ hai sử dụng hằng số Hubble (H0), hằng số này dựa trên lý thuyết Big Bang – một lý thuyết rất phổ biến trong vũ trụ học để ước tính tuổi của vũ trụ. Kết quả quan sát thiên văn hiện đại cho thấy vũ trụ chúng ta đang nở rộng do đó khoảng cách giữa các thiên hà đang gia tăng. Định luật Hubble tuyên bố có một mối quan hệ tỷ lệ thuận đơn giản giữa tốc độ rời xa nhau của hai thiên hà và khoảng cách giữa chúng, tức là: v=H0×d. Giả sử rằng hằng số Hubble H0 không đổi, thì bằng cách đo đạc tốc độ thoái lùi và khoảng cách giữa hai thiên hà, nghịch đảo của H0 là 1/H0=d/v sẽ cho chúng ta kết quả là thời gian tính từ thời điểm vụ nổ “Big Bang”. Những kết quả mới nhất sử dụng phương pháp này cho ra độ tuổi của vũ trụ vào khoảng 13 tỷ năm.

Tuy nhiên, các quan sát thiên văn mới nhất khẳng định rằng vũ trụ được điều khiển bởi một sức mạnh bí ẩn và tốc độ giãn nở đang gia tăng. Vì vậy, hằng số Hubble không thực sự bất biến. Hơn nữa, gần đây xuất hiện một lượng lớn các khám phá thiên văn đáng kinh ngạc (chẳng hạn như sự ra đời của vô số các ngôi sao mới trong nhiều thiên hà cũ, sự kết hợp và tái sinh của nhiều thiên hà, số lượng lớn các vụ nổ siêu tân tinh (starburst), vật chất tối bí ẩn, và thường xuyên có các vụ nổ tia gamma v.v.) cho thấy kiến thức của chúng ta về vũ trụ vẫn còn nhiều hạn chế. Vì vậy, rất có thể sự ước lượng của chúng ta về tuổi của vũ trụ là cách khá xa sự thật.

Hiện nay, ngày càng có nhiều khám phá mới trong lĩnh vực thiên văn học đang đặt ra câu hỏi nghiêm túc về lý thuyết vũ trụ học đương đại và các nhà khoa học đang dần dần thay đổi quan điểm của họ về vũ trụ. Gần đây, giáo sư Paul Steinhardt tại Đại học Princeton và giáo sư Neil Turok tại Đại học Cambridge đã đề xuất “mô hình tuần hoàn của vũ trụ”. Lý thuyết của họ tuyên bố rằng vũ trụ không có sự khởi đầu hay kết thúc mà thực tế đã được hình thành và tái tạo liên tục không ngừng theo chu kỳ. Theo BBC News, các giáo sư đề xuất học thuyết này cho rằng vũ trụ phải hoạt động theo cách này thì chúng ta mới có thể giải thích được một bí ẩn lớn: Tại sao các ngôi sao và các thiên hà đang ngày càng rời xa nhau (nở rộng, vũ trụ giãn nở). Vũ trụ chứa đầy bí ẩn và nằm ngoài sức tưởng tượng của chúng ta. Có những lỗ đen, sao quark, và các hạt được tái sinh từ hư vô và bị hủy diệt về trạng thái hư không.

Giáo sư Steinhardt cho rằng kết quả của các công thức này cho thấy vũ trụ không có điểm khởi đầu hay kết thúc và hàng loạt các vụ nổ kiểu “Big Bang” sẽ tiếp tục cho đến vô hạn. Ông nói:

“Điều chúng tôi đề xuất trong viễn cảnh [vũ trụ] mới này là Big Bang không phải là sự khởi đầu của thời gian, mà thật ra chỉ là diễn biến mới nhất trong một chuỗi vô hạn của các chu kỳ tuần hoàn, trong đó vũ trụ đã trải qua các giai đoạn nung nóng, nở rộng, nguội dần, trì trệ, trống không, và sau đó lại giãn nở lại một lần nữa .”

Mỗi chu kỳ tuần hoàn giống như quy trình “sinh lão bệnh tử” ở người. Theo lý thuyết này, vũ trụ của chúng ta sẽ tiếp tục nở rộng và sau đó sẽ có một “Big Bang” khác xảy ra ở một góc nào đó của vũ trụ. Sau đó, quá trình này sẽ bắt đầu lại. Họ chỉ ra rằng vũ trụ hiện tại được sinh thành từ tàn dư của vũ trụ trước đó. Các nhà khoa học đang xây dựng các công cụ thế hệ mới ở trên Trái Đất và cả trong không gian để thẩm định mô hình này.

Phương pháp đo độ tuổi của Trái Đất nổi tiếng trong cộng đồng khoa học hiện nay là phương pháp bán rã các đồng vị phóng xạ. Phương pháp này xem xét mối liên hệ giữa các tỷ lệ bình thường của nguyên tố cha và nguyên tố con trong lớp đá cũ và sử dụng nó để ước tính tuổi của Trái Đất (còn gọi là phương pháp tính tuổi Isochron). Có ba giả thuyết chính:

1. Trái Đất ban đầu được hình thành từ khí vũ trụ và các loại đá cổ nhất được hình thành trong quá trình Trái Đất nguội dần; 2. Các tinh thể bên trong những khối đá này bị cách ly khỏi môi trường xung quanh sau khi được hình thành, tức là, không có sự trao đổi chất giữa các tinh thể và môi trường sau đó;
2. Chu kỳ bán rã của các nguyên tố được sử dụng để xác định niên đại là không đổi. Áp dụng phương pháp này với các loại đá cổ xưa nhất từng được tìm thấy trên Trái Đất cho kết quả là 3,8 – 3,9 tỉ năm. Các loại đá trên mặt trăng thì lớn tuổi hơn, khoảng 4,5 tỷ năm. Độ tuổi lớn nhất được công bố trong cộng đồng khoa học là 4,54 tỷ năm, thực ra là tuổi của thiên thạch lâu đời nhất trong Hệ Mặt Trời, bởi vì các nhà khoa học tin rằng nó phải có độ tuổi bằng với Trái Đất.

Nghiêm khắc mà nói thì phương pháp trên chỉ đơn thuần là tính độ tuổi của đá trên Trái Đất. Đó là “mô hình phụ thuộc”, tuy nhiên, nếu Trái Đất không được hình thành bằng cách mà các nhà khoa học vẫn nghĩ (từ khí vũ trụ), mà từ các loại đá trong không gian kết hợp với nhau theo một cơ chế nào đó, thì độ tuổi của đá sẽ chênh lệch rất lớn so với tuổi của Trái Đất. Ví dụ, nếu chúng ta đo tuổi của đá trong nền móng của một ngôi nhà và sử dụng nó như là một cách ước tính tuổi của ngôi nhà, số tuổi mà chúng ta nhận được chắc chắn sẽ lớn hơn nhiều so với giá trị thật của nó. Một cách tốt hơn để ước tính tuổi của một ngôi nhà có lẽ là đo độ dày của lớp bụi bám trên cột xà nhà hoặc quan sát độ mài mòn của nó. Nguyên lý tương tự cũng đúng trong việc ước lượng tuổi của Trái Đất. Trên thực tế, trong lịch sử có rất nhiều người đã cố gắng ước tính tuổi của Trái Đất bằng cách đo độ dày của các trầm tích trên mặt đất và độ tuổi họ nhận được thực sự nhỏ hơn nhiều so với các phương pháp xác định tuổi đồng vị phóng xạ.

Nổi tiếng nhất gồm có A. Keikie (1868) và T.H. Huxley (1869) 100 triệu năm; J. Joly (1908) và WJ Sullas (1909) 80 triệu năm; TM Reade (1893) 95 triệu và Charles D. Walcott (1893) 35-80 triệu năm. Sau khi phương pháp xác định niên đại bằng đồng vị phóng xạ hiện đại trở nên khả dụng, những phương pháp này đã dần dần bị lãng quên. Cho đến nay, lý do chính là độ tuổi tính theo các phương pháp này nhỏ hơn nhiều so với kết quả từ các phương pháp đồng vị. Các nhà khoa học ngày nay tin rằng tuổi của Trái Đất bằng với tuổi của những hòn đá lâu đời nhất trên Trái Đất. Một lý do khác là để áp dụng các phương pháp này, cần phải hiểu được quá trình biến đổi địa chất phức tạp của Trái Đất và một số đặc điểm rất khó để xác định chính xác.

Hiện nay, các nhà quan sát thiên văn chỉ ra rằng Trái Đất của chúng ta có thể đã trải qua những thay đổi to lớn trong lịch sử. Ví dụ, Tiến sĩ Tim Spahr, một nhà thiên văn học của Trung tâm Tiểu hành tinh thuộc Trung tâm Harvard-Smithsonian tại Đại học Harvard cho rằng, theo thống kê, sẽ có một tiểu hành tinh có đường kính hơn 9,6 km va vào Trái Đất sau mỗi 100 triệu năm và Trái Đất sẽ thay đổi đáng kể sau cuộc va chạm.

Ngoài ra, các nhà khoa học tin rằng chu kỳ bán rã của các nguyên tố là một hằng số không đổi. Tuy nhiên, một bài báo được công bố trên tờ Nature (số 418, trang 602), cho biết một nhóm các nhà thiên văn học từ Đại học South Wales ở Úc, bằng cách phân tích quang phổ nguyên tử phát ra từ các thiên hà cũ, đã phát hiện ra rằng hằng số cấu trúc tinh tế (fine-structure constant) đang thay đổi theo thời gian. Sau khi hoàn thành một số tính toán, họ kết luận rằng tốc độ của ánh sáng trong chân không là không cố định. Vì sự phân rã của một nguyên tố phụ thuộc vào tốc độ của ánh sáng, nếu tốc độ ánh sáng thực sự không phải là hằng số, thì phương pháp xác định tuổi của đá bằng đồng vị là đáng nghi ngờ.

Quang Lâm (theo Pure Insight)