Ba Phút Đầu Tiên: Góc Nhìn Hiện Đại Về Nguồn Gốc Vũ Trụ - Steven Weinberg

Khám phá bí quyết tạo ấn tượng khó phai chỉ trong ba phút đầu tiên. Bài viết này chia sẻ những mẹo hiệu quả để thu hút sự chú ý ngay lập tức.

Trường đại học

Đại học Harvard

Chuyên ngành

Vũ Trụ Học

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

Sách

1976

168
2
0

Phí lưu trữ

45 Point

Mục lục chi tiết

Preface

1. Introduction: the Giant and the Cow

2. The Expansion of the Universe

3. The Cosmic Microwave Radiation Background

4. Recipe for a Hot Universe

5. The First Three Minutes

6. A Historical Diversion

7. The First One-hundredth Second

8. Epilogue: the Prospect Ahead

Afterword

TABLES :

1.1. Properties of Some Elementary Particles

1.2. Properties of Some Kinds of Radiation

Glossary

Tóm tắt

I. Giới thiệu Ba Phút Đầu Tiên Nguồn gốc hình thành vũ trụ

Vũ trụ, một thực thể bao la và phức tạp, luôn là nguồn cảm hứng vô tận cho các nhà khoa học và triết học. Câu hỏi về nguồn gốc của vũ trụ đã được đặt ra từ hàng ngàn năm trước. Tuy nhiên, chỉ trong thế kỷ 20, với sự phát triển của vật lý học hiện đại và thiên văn học, con người mới bắt đầu có được những hiểu biết sâu sắc về những giây phút đầu tiên của vũ trụ. Lý thuyết Big Bang, hay còn gọi là Vụ Nổ Lớn, là mô hình vũ trụ học được chấp nhận rộng rãi nhất hiện nay. Theo lý thuyết này, vũ trụ bắt nguồn từ một trạng thái cực kỳ nóng và đặc, và sau đó liên tục giãn nở và nguội đi. Ba phút đầu tiên sau Big Bang là một giai đoạn đặc biệt quan trọng, quyết định thành phần hóa học của vũ trụ và đặt nền móng cho sự hình thành của các cấu trúc lớn sau này. Steven Weinberg, trong cuốn sách 'The First Three Minutes', đã mô tả chi tiết giai đoạn này, mang đến cho độc giả một cái nhìn toàn diện về vũ trụ sơ khai. Weinberg viết: "Đây là một thời điểm tốt để viết về vũ trụ sơ khai. Trong thập kỷ vừa qua, một lý thuyết chi tiết về diễn biến các sự kiện trong vũ trụ sơ khai đã được chấp nhận rộng rãi như một 'mô hình tiêu chuẩn'". Việc nghiên cứu lịch sử vũ trụ, đặc biệt là sự hình thành vũ trụ trong ba phút đầu tiên, không chỉ giúp chúng ta hiểu rõ hơn về nguồn gốc vật chấtnguồn gốc năng lượng của vũ trụ, mà còn cung cấp những manh mối quan trọng để giải đáp những bí ẩn lớn hơn, như bản chất của vật chất tốinăng lượng tối. Giai đoạn tổng hợp hạt nhân Big Bang (BBN) là then chốt, tạo ra các nguyên tố nhẹ như Hydrogen, Helium, và Lithi. Hiểu rõ BBN giúp xác định các điều kiện ban đầu của vũ trụ.

1.1. Tóm tắt lý thuyết Vụ Nổ Lớn và các giai đoạn hình thành

Lý thuyết Big Bang là nền tảng của vũ trụ học hiện đại, mô tả sự hình thành vũ trụ từ một điểm kỳ dị vô cùng nóng và đặc. Sau vụ nổ, vũ trụ nhanh chóng giãn nở. Trong giai đoạn vũ trụ sơ khai, nhiệt độ cực cao ngăn cản sự hình thành của các nguyên tử. Thay vào đó, vũ trụ chứa một hỗn hợp plasma của các hạt cơ bản như electron, positron, neutrino và photon. Quá trình tổng hợp hạt nhân Big Bang (BBN) diễn ra trong vài phút đầu tiên, tạo ra các nguyên tố nhẹ như hydro và helium. Sự tồn tại của các nguyên tố này, với tỷ lệ chính xác như dự đoán bởi BBN, là một bằng chứng mạnh mẽ ủng hộ lý thuyết Big Bang. Sự phát hiện bức xạ nền vũ trụ (CMB), tàn dư nhiệt từ thời kỳ đầu của vũ trụ, là một xác nhận quan trọng khác. "Tại một phần trăm giây đầu tiên, thời điểm sớm nhất mà chúng ta có thể nói với bất kỳ sự tự tin nào, nhiệt độ của vũ trụ là khoảng một trăm nghìn triệu (10^11) độ C", Weinberg viết.

1.2. Tại sao ba phút đầu tiên lại quan trọng trong vũ trụ học

Ba phút đầu tiên đóng vai trò then chốt trong việc xác định thành phần hóa học của vũ trụ. Các phản ứng hạt nhân diễn ra trong giai đoạn này tạo ra phần lớn lượng hydroheli mà chúng ta thấy ngày nay. Tỷ lệ chính xác của các nguyên tố này có thể được tính toán dựa trên các điều kiện vật lý trong ba phút đầu tiên. Bất kỳ sự thay đổi nào trong các điều kiện này sẽ dẫn đến sự thay đổi đáng kể trong thành phần của vũ trụ, có thể ngăn cản sự hình thành của các ngôi sao và thiên hà. Do đó, việc nghiên cứu ba phút đầu tiên cung cấp một cửa sổ độc đáo để hiểu rõ hơn về các hằng số vật lý cơ bản và các quy luật chi phối vũ trụ. Ngoài ra, giai đoạn này có ảnh hưởng lớn đến sự hình thành vật chất tốinăng lượng tối, những thành phần bí ẩn chiếm phần lớn khối lượng và năng lượng của vũ trụ.

1.3. Tổng quan về những thách thức và tranh cãi trong nghiên cứu

Mặc dù lý thuyết Big Bangmô hình Lambda-CDM đã rất thành công trong việc giải thích nhiều quan sát vũ trụ học, vẫn còn một số thách thức và tranh cãi chưa được giải quyết. Một trong những thách thức lớn nhất là sự thiếu hiểu biết về giai đoạn lạm phát vũ trụ, một giai đoạn giãn nở cực nhanh được cho là đã diễn ra trong khoảnh khắc đầu tiên sau Big Bang. Thời kỳ Planck, khoảng thời gian ngắn ngủi nhất sau Vụ Nổ Lớn, cũng vẫn là một bí ẩn, vì các định luật vật lý hiện tại của chúng ta không thể áp dụng được trong điều kiện cực kỳ khắc nghiệt này. Ngoài ra, vẫn còn những tranh cãi về giá trị chính xác của hằng số Hubble, một tham số quan trọng mô tả tốc độ giãn nở vũ trụ. Các phương pháp đo lường khác nhau cho ra các kết quả khác nhau, dẫn đến sự căng thẳng trong cộng đồng vũ trụ học.

II. Cách xác định Thành phần Hóa học trong Ba Phút đầu

Việc xác định thành phần hóa học của vũ trụ trong ba phút đầu tiên là một quá trình phức tạp đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về vật lý hạt nhân và vũ trụ học. Các nhà khoa học sử dụng các mô hình máy tính phức tạp để mô phỏng các phản ứng hạt nhân diễn ra trong điều kiện nhiệt độ và mật độ cực cao của vũ trụ sơ khai. Các mô hình này dựa trên các dữ liệu thực nghiệm từ các máy gia tốc hạt, giúp xác định tốc độ của các phản ứng hạt nhân khác nhau. Bức xạ nền vũ trụ (CMB) đóng vai trò là một công cụ quan trọng để kiểm tra tính chính xác của các mô hình. Bằng cách đo lường các biến động nhỏ trong CMB, các nhà khoa học có thể suy ra các thông số vũ trụ học quan trọng, chẳng hạn như mật độ baryon và tốc độ giãn nở vũ trụ. So sánh các dự đoán từ các mô hình BBN với các quan sát về thành phần hóa học của vũ trụ, các nhà khoa học có thể kiểm tra tính nhất quán của lý thuyết Big Bang và thu hẹp phạm vi của các tham số vũ trụ học. Weinberg viết: "Trong ba phút đầu tiên, nội dung của vũ trụ chủ yếu ở dạng ánh sáng, neutrino và phản neutrino. Vẫn còn một lượng nhỏ vật chất hạt nhân, hiện bao gồm khoảng 73% hydro và 27% helium, và một số lượng nhỏ electron còn sót lại từ kỷ nguyên tiêu diệt electron-positron".

2.1. Vai trò của vật lý hạt nhân trong mô phỏng các phản ứng

Vật lý hạt nhân đóng vai trò then chốt trong việc mô phỏng các phản ứng xảy ra trong ba phút đầu tiên. Các thí nghiệm được tiến hành tại các máy gia tốc hạt cung cấp dữ liệu cần thiết để xác định tốc độ của các phản ứng hạt nhân khác nhau. Dữ liệu này sau đó được sử dụng để xây dựng các mô hình máy tính phức tạp, mô phỏng diễn biến của quá trình tổng hợp hạt nhân Big Bang (BBN). Các mô hình BBN tính toán lượng các nguyên tố nhẹ được tạo ra, chẳng hạn như hydrogen, helium, và lithium, dựa trên các điều kiện vật lý trong vũ trụ sơ khai. Tính chính xác của các mô hình này phụ thuộc vào độ chính xác của dữ liệu vật lý hạt nhân đầu vào.

2.2. Cách đo Bức xạ nền vũ trụ để kiểm tra tính chính xác

Bức xạ nền vũ trụ (CMB) là tàn dư nhiệt từ thời kỳ đầu của vũ trụ, cung cấp một cái nhìn độc đáo về các điều kiện vật lý trong ba phút đầu tiên. Các biến động nhỏ trong CMB chứa thông tin về mật độ baryon và tốc độ giãn nở vũ trụ. Bằng cách so sánh các dự đoán từ các mô hình BBN với các quan sát về CMB, các nhà khoa học có thể kiểm tra tính nhất quán của lý thuyết Big Bang. Các kết quả này giúp thu hẹp phạm vi của các tham số vũ trụ học và cải thiện sự hiểu biết của chúng ta về vũ trụ sơ khai. "Việc khám phá ra bức xạ nền vũ trụ được thảo luận trong Chương 3, thực chất là một phép đo số lượng này", Weinberg nói về tỷ lệ một nghìn triệu photon trên một hạt nhân.

2.3. So sánh dự đoán lý thuyết và quan sát thành phần vũ trụ

Các dự đoán từ các mô hình BBN có thể được so sánh trực tiếp với các quan sát về thành phần hóa học của vũ trụ. Các nhà thiên văn học sử dụng các kính viễn vọng mạnh mẽ để đo lường lượng hydrogen, helium, và lithium trong các đám mây khí nguyên thủy, chưa bị ô nhiễm bởi các phản ứng hạt nhân trong các ngôi sao. Sự phù hợp giữa các dự đoán lý thuyết và các quan sát thực tế là một bằng chứng mạnh mẽ ủng hộ lý thuyết Big Bang. Tuy nhiên, có một số khác biệt nhỏ giữa các dự đoán và các quan sát, đặc biệt là đối với lượng lithium, dẫn đến các nghiên cứu tiếp theo để giải quyết sự khác biệt này.

III. Hướng dẫn cách tính toán sự Giãn nở của Vũ Trụ sơ khai

Sự giãn nở vũ trụ là một yếu tố quan trọng trong việc xác định các điều kiện vật lý trong ba phút đầu tiên. Tốc độ giãn nở ảnh hưởng đến tốc độ của các phản ứng hạt nhân, do đó ảnh hưởng đến lượng các nguyên tố nhẹ được tạo ra. Các nhà khoa học sử dụng thuyết tương đối rộng của Einstein để mô tả sự giãn nở vũ trụ. Các phương trình của thuyết tương đối rộng liên hệ tốc độ giãn nở với mật độ năng lượng của vũ trụ. Bằng cách đo lường tốc độ giãn nở hiện tại và ngoại suy về quá khứ, các nhà khoa học có thể ước tính nhiệt độ và mật độ của vũ trụ trong ba phút đầu tiên. Việc hiểu rõ sự giãn nở vũ trụ là rất quan trọng để xây dựng các mô hình BBN chính xác. Weinberg viết: "Nếu các thiên hà đang lao ra xa nhau, thì chúng phải từng ở gần nhau hơn. Để cụ thể, nếu vận tốc của chúng là không đổi, thì thời gian để bất kỳ cặp thiên hà nào đạt đến khoảng cách hiện tại của chúng chỉ là khoảng cách hiện tại giữa chúng chia cho vận tốc tương đối của chúng".

3.1. Ứng dụng Thuyết tương đối rộng để mô tả giãn nở

Thuyết tương đối rộng của Einstein là lý thuyết trọng lực được chấp nhận rộng rãi nhất hiện nay. Thuyết này mô tả trọng lực không phải là một lực, mà là kết quả của sự cong vênh của không gian và thời gian do sự hiện diện của vật chất và năng lượng. Các phương trình của thuyết tương đối rộng liên hệ sự cong vênh của không gian và thời gian với mật độ năng lượng của vũ trụ. Bằng cách giải các phương trình này, các nhà khoa học có thể thu được các mô hình vũ trụ học mô tả sự giãn nở vũ trụ.

3.2. Liên hệ tốc độ giãn nở với mật độ năng lượng vũ trụ

Tốc độ giãn nở vũ trụ có liên hệ chặt chẽ với mật độ năng lượng của vũ trụ. Một vũ trụ có mật độ năng lượng cao hơn sẽ giãn nở chậm hơn do lực hấp dẫn mạnh hơn. Các nhà khoa học sử dụng các quan sát về bức xạ nền vũ trụ (CMB) và sự phân bố của các thiên hà để ước tính mật độ năng lượng của vũ trụ. Các ước tính này cho thấy rằng vũ trụ có mật độ gần bằng mật độ tới hạn, là mật độ cần thiết để vũ trụ tiếp tục giãn nở mãi mãi.

3.3. Ngoại suy giãn nở về quá khứ để ước tính điều kiện ban đầu

Bằng cách đo lường tốc độ giãn nở hiện tại và ngoại suy về quá khứ, các nhà khoa học có thể ước tính nhiệt độ và mật độ của vũ trụ trong ba phút đầu tiên. Quá trình này đòi hỏi việc sử dụng các mô hình vũ trụ học, mô tả diễn biến của vũ trụ theo thời gian. Các mô hình này dựa trên các định luật vật lý đã biết, nhưng cũng có một số tham số chưa chắc chắn, chẳng hạn như mật độ vật chất tốinăng lượng tối.

IV. Bí quyết Nghiên cứu Bức xạ Nền Vũ Trụ và Nguồn Gốc CMB

Bức xạ nền vũ trụ (CMB) là tàn dư nhiệt từ thời kỳ đầu của vũ trụ, được phát hiện vào năm 1965 bởi Arno Penzias và Robert Wilson. CMB là một nguồn thông tin vô giá về các điều kiện vật lý trong ba phút đầu tiên. CMB có nhiệt độ gần như đồng nhất trên toàn bầu trời, nhưng có những biến động nhỏ cho thấy sự tồn tại của các vùng có mật độ khác nhau trong vũ trụ sơ khai. Các biến động này là mầm mống cho sự hình thành của các cấu trúc lớn sau này, chẳng hạn như các thiên hà và siêu đám thiên hà. Bằng cách nghiên cứu CMB, các nhà khoa học có thể tìm hiểu về tuổi, hình dạng và thành phần của vũ trụ. Weinberg viết: "Năm 1964, Phòng thí nghiệm Bell Telephone sở hữu một ăng-ten vô tuyến khác thường trên Crawford Hill ở Holmdel, New Jersey. Ăng-ten này được xây dựng để liên lạc thông qua vệ tinh Echo, nhưng các đặc tính của nó - một gương phản xạ hình phễu dài 20 foot với độ ồn cực thấp - khiến nó trở thành một công cụ đầy hứa hẹn cho thiên văn học vô tuyến điện".

4.1. Lịch sử khám phá Bức xạ Nền Vũ Trụ và tầm quan trọng

Việc phát hiện Bức xạ nền vũ trụ (CMB) vào năm 1965 là một cột mốc quan trọng trong vũ trụ học. CMB cung cấp bằng chứng mạnh mẽ ủng hộ lý thuyết Big Bang và mở ra một cửa sổ mới để nghiên cứu vũ trụ sơ khai. Trước khi phát hiện ra CMB, các nhà khoa học không có bằng chứng trực tiếp về các điều kiện vật lý trong ba phút đầu tiên. CMB cho phép các nhà khoa học đo lường nhiệt độ, mật độ và thành phần của vũ trụ trong giai đoạn này.

4.2. Phân tích các biến động nhỏ trong CMB để suy ra thông số

Các biến động nhỏ trong Bức xạ nền vũ trụ (CMB) chứa thông tin về mật độ baryon, tốc độ giãn nở vũ trụ và các thông số vũ trụ học khác. Các nhà khoa học sử dụng các kỹ thuật phân tích thống kê phức tạp để trích xuất thông tin từ các biến động này. Các kết quả này giúp các nhà khoa học xây dựng các mô hình vũ trụ học chính xác hơn và cải thiện sự hiểu biết của chúng ta về nguồn gốc và sự phát triển của vũ trụ.

4.3. Ứng dụng CMB trong nghiên cứu tuổi hình dạng và thành phần

Bức xạ nền vũ trụ (CMB) là một công cụ mạnh mẽ để nghiên cứu tuổi, hình dạng và thành phần của vũ trụ. Bằng cách phân tích CMB, các nhà khoa học có thể xác định tuổi của vũ trụ, ước tính độ cong của không gian và đo lường lượng vật chất tốinăng lượng tối trong vũ trụ. Các kết quả này cung cấp những ràng buộc quan trọng đối với các mô hình vũ trụ học và giúp chúng ta hiểu rõ hơn về bản chất của vũ trụ.

V. Phương pháp Nghiên cứu Vật Chất Tối và Năng Lượng Tối Ảnh

Vật chất tốinăng lượng tối là hai thành phần bí ẩn chiếm phần lớn khối lượng và năng lượng của vũ trụ. Vật chất tối không tương tác với ánh sáng, nên không thể quan sát trực tiếp bằng kính viễn vọng. Tuy nhiên, sự hiện diện của nó có thể được suy ra từ ảnh hưởng hấp dẫn lên các thiên hà và cụm thiên hà. Năng lượng tối là một dạng năng lượng bí ẩn gây ra sự giãn nở vũ trụ加速. Bản chất của vật chất tốinăng lượng tối vẫn là một trong những câu hỏi lớn nhất chưa được giải đáp trong vật lý học hiện đại. Nghiên cứu ba phút đầu tiên có thể cung cấp những manh mối quan trọng để giải đáp những bí ẩn này. Weinberg viết: "Vật chất tiếp tục lao ra xa, trở nên nguội hơn và ít đặc hơn. Sau đó, sau vài trăm nghìn năm, nó sẽ trở nên đủ nguội để các electron kết hợp với các hạt nhân để tạo thành các nguyên tử hydro và helium. Khí kết quả sẽ bắt đầu dưới ảnh hưởng của lực hấp dẫn để tạo thành các cụm, cuối cùng sẽ ngưng tụ để tạo thành các thiên hà và các ngôi sao của vũ trụ hiện tại".

5.1. Bằng chứng gián tiếp về sự tồn tại của Vật Chất Tối

Mặc dù không thể quan sát trực tiếp, sự tồn tại của Vật chất tối có thể được suy ra từ nhiều bằng chứng gián tiếp, bao gồm các đường cong quay của các thiên hà xoắn ốc, sự thấu kính hấp dẫn và sự phân bố của Bức xạ nền vũ trụ (CMB). Các quan sát này cho thấy rằng có một lượng lớn vật chất không nhìn thấy được đang tác động lên các vật thể có thể nhìn thấy, như các ngôi sao và thiên hà.

5.2. Cách Năng Lượng Tối ảnh hưởng đến sự Giãn Nở Vũ Trụ

Năng lượng tối được cho là nguyên nhân gây ra sự加速 giãn nở vũ trụ. Các quan sát về siêu tân tinh loại Ia cho thấy rằng tốc độ giãn nở của vũ trụ đang tăng nhanh theo thời gian. Điều này có nghĩa là một dạng năng lượng bí ẩn, Năng lượng tối, đang đẩy các thiên hà ra xa nhau.

5.3. Manh mối về bản chất của Vật Chất Tối và Năng Lượng Tối

Nghiên cứu ba phút đầu tiên có thể cung cấp những manh mối quan trọng về bản chất của Vật chất tốiNăng lượng tối. Các mô hình BBN có thể được sử dụng để hạn chế các thuộc tính của Vật chất tốiNăng lượng tối. Ví dụ, các mô hình này có thể được sử dụng để ước tính mật độ của Vật chất tốiNăng lượng tối trong vũ trụ sơ khai.

VI. Tương lai Nghiên cứu Nguồn Gốc Vũ Trụ trong Ba Phút

Nghiên cứu về ba phút đầu tiên của vũ trụ vẫn là một lĩnh vực hoạt động tích cực, với nhiều câu hỏi chưa được giải đáp và những khám phá tiềm năng. Các thí nghiệm và quan sát trong tương lai, chẳng hạn như các sứ mệnh CMB thế hệ tiếp theo và các máy gia tốc hạt mạnh hơn, hứa hẹn sẽ cung cấp những hiểu biết sâu sắc hơn về các điều kiện vật lý trong vũ trụ sơ khai và các quy trình đã diễn ra. Sự hợp tác giữa các nhà vật lý hạt nhân, nhà vũ trụ học và nhà thiên văn học là rất quan trọng để đạt được tiến bộ trong lĩnh vực này. Weinberg kết luận: "Tôi không thể phủ nhận một cảm giác không thực tế khi viết về ba phút đầu tiên như thể chúng ta thực sự biết chúng ta đang nói về điều gì".

6.1. Các thí nghiệm CMB thế hệ tiếp theo và tiềm năng khám phá

Các sứ mệnh CMB thế hệ tiếp theo, chẳng hạn như CMB-S4, hứa hẹn sẽ cung cấp các phép đo chính xác hơn nhiều về Bức xạ nền vũ trụ (CMB). Các phép đo này sẽ cho phép các nhà khoa học hạn chế các tham số vũ trụ học quan trọng hơn và tìm kiếm các dấu hiệu của giai đoạn lạm phát vũ trụ.

6.2. Sự hợp tác khoa học liên ngành và vai trò của công nghệ

Sự hợp tác giữa các nhà vật lý hạt nhân, nhà vũ trụ học và nhà thiên văn học là rất quan trọng để đạt được tiến bộ trong việc nghiên cứu ba phút đầu tiên. Mỗi lĩnh vực đóng góp những kiến thức và kỹ năng độc đáo, cho phép một sự hiểu biết toàn diện hơn về vũ trụ sơ khai. Công nghệ đóng vai trò quan trọng để phân tích dữ liệu từ CMB.

6.3. Các câu hỏi chưa được giải đáp và hướng nghiên cứu trong tương lai

Vẫn còn nhiều câu hỏi chưa được giải đáp về ba phút đầu tiên, chẳng hạn như bản chất của vật chất tốinăng lượng tối, và cơ chế gây ra giai đoạn lạm phát vũ trụ. Nghiên cứu trong tương lai sẽ tập trung vào việc giải đáp những câu hỏi này và phát triển sự hiểu biết sâu sắc hơn về nguồn gốc và sự phát triển của vũ trụ.

27/09/2025

Trích đoạn nội dung tài liệu

Steven Weinberg The First Three Minutes A modem view of the origin of the universe FLAMINGO Published by Fontana Paperbacks Contents Preface 9 1 Introduction: the Giant and the Cow 13 2 The Expansion of the Universe 20 3 The Cosmic Microwave Radiation Background 52 4 Recipe for a Hot Universe 81 5 The First Three Minutes 102 6 A Historical Diversion 120 7 The First One-hundredth Second 130 8 Epilogue: the Prospect Ahead 145 Afterword 151 TABLES : 1. Properties of Some Elementary Particles 163 2. Properties of Some Kinds of Radiation 164 Glossary 165 www.com Preface This book grew out of a talk I gave at the dedication of the Undergraduate Science Center at Harvard in November 1973. Erwin Glikes, president and publisher of Basic Books, heard of this talk from a mutual friend, Daniel Bell, and urged me to turn it into a book.

At first I was not enthusiastic about the idea. Although I have done small bits of research in cosmology from time to time, my work has been much more concerned with the physics of the very small, the theory of elementary particles. Also, elementary particle physics has been extraordinarily lively in the last few years, and I had been spending too much time away from it, writing non-technical articles for various magazines. I wanted very much to return full time to my natural habitat, the Physical Review.

However, I found that I could not stop thinking about the idea of a book on the early universe. What could be more interesting than the problem of Genesis? Also, it is in the early universe, especially the first hundredth of a second, that the problems of the theory of elementary particles come together with the problems of cosmology. Above all, this is a good time to write about the early universe. In just the last decade a detailed theory of the course of events in the early universe has become widely accepted as a 'standard model'.

It is a remarkable thing to be able to say just what the universe was like at the end of the first second or the first minute or the first year. To a physicist, the exhilarating thing is to be able to work things out numerically, to be able to say that at such and such a time the temperature and density and chemical composition of the universe had such www.com 10 The First Three Minutes and such values. True, we are not absolutely certain about all this, but it is exciting that we are now able to speak of such things with any confidence at all. It was this excitement that I wanted to convey to the reader.

I had better say for what reader this book is intended. I have written for one who is willing to puzzle through some detailed arguments, but who is not at home in either mathe- matics or physics. Although I must introduce some fairly complicated scientific ideas, no mathematics is used in the body of the book beyond arithmetic, and little or no knowl- edge of physics or astronomy is assumed in advance. I have tried to be careful to define scientific terms when they are first used, and in addition I have supplied a glossary of physical and astronomical terms (p.

Wherever possible, I have also written numbers like 'a hundred thousand million' in English, rather than use the more convenient scientific notation: 1011. However, this does not mean that I have tried to write an easy book. When a lawyer writes for the general public, he assumes that they do not know Law French or the Rule Against Perpetuities, but he does not think the worse of them for it, and he does not condescend to them. I want to return the compliment: I picture the reader as a smart old attorney who does not speak my language, but who expects nonethe- less to hear some convincing arguments before he makes up his mind.

For the reader who does want to see some of the calcula- tions that underlie the arguments of this book, I have pre- pared 'A Mathematical Supplement', which follows the body of the book (p. The level of mathematics used here would make these notes accessible to anyone with an under- graduate concentration in any physical science or mathe- matics. Fortunately, the most important calculations in cosmology are rather simple; it is only here and there that the finer points of general relativity or nuclear physics come into play. Readers who want to pursue this subject on a more technical level will find several advanced treatises www.com Preface 11 (including my own) listed under 'Suggestions for Further Reading' (p.

I should also make clear what subject I intended this book to cover. It is definitely not a book about all aspects of cosmology. There is a 'classic' part of the subject, which has to do mostly with the large-scale structure of the present universe: the debate over the extragalactic nature of the spiral nebulae; the discovery of the red shifts of distant galaxies and their dependence on distance; the general relativ- istic cosmological models of Einstein, de Sitter, Lemaitre, and Friedmann; and so on. This part of cosmology has been described very well in a number of distinguished books, and I did not intend to give another full account of it here.

The present book is concerned with the early universe, and in particular with the new understanding of the early universe that has grown out of the discovery of the cosmic microwave radiation background in 1965. Of course, the theory of the expansion of the universe is an essential ingredient in our present view of the early uni- verse, so I have been compelled in Chapter 2 to provide a brief introduction to the more 'classic' aspects of cosmology. I believe that this chapter should provide an adequate back- ground, even for the reader completely unfamiliar with cosmology, to understand the recent developments in the theory of the early universe with which the rest of the book is concerned. However, the reader who wants a thorough introduction to the older parts of cosmology is urged to consult the books listed under 'Suggestions for Further Reading'.

On the other hand, I have not been able to find any coherent historical account of the recent developments in cosmology. I have therefore been obliged to do a little digging myself, particularly with regard to the fascinating question of why there was no search for the cosmic microwave radia- tion background long before 1965. (This is discussed in Chapter 6.) This is not to say that I regard this book as a definitive history of these developments - I have far too much www.com 12 The First Three Minutes respect for the effort and attention to detail needed in the history of science to have any illusions on that score. Rather, I would be happy if a real historian of science would use this book as a starting point, and write an adequate history of the last thirty years of cosmological research.

I am extremely grateful to Erwin Glikes and Farrell Phillips of Basic Books for their valuable suggestions in preparing this manuscript for publication. I have also been helped more than I can say in writing this book by the kind advice of my colleagues in physics and astronomy. For taking the trouble to read and comment on portions of the book, I wish especially to thank" Ralph Alpher, Bernard Burke, Robert Dicke, George Field, Gary Feinberg, William Fowler, Robert Herman, Fred Hoyle, Jim Peebles, Arno Penzias, Bill Press, Ed Purcell and Robert Wagoner. My thanks are also due to Isaac Asimov, I.

Bernard Cohen, Martha Liller and Philip Morrison for information on various special-topics. I am particularly grateful to Nigel Calder for reading through the whole of the first draft, and for his perceptive comments. I cannot hope that this book is now entirely free of errors and obscurities, but I am certain that it is a good deal clearer and more accurate than it could have been without all the generous assistance I have been fortunate enough to receive. Cambridge, Massachusetts STEVEN WEINBERG July 1976 www.com Introduction: the Giant and the Cow The origin of the universe is explained in the Younger Edda, a collection of Norse myths compiled around 1220 by the Icelandic magnate Snorri Sturleson.

In the beginning, says the Edda, there was nothing at all. 'Earth was not found, nor Heaven above, a Yawning-gap there was, but grass nowhere.' To the north and south of nothing lay regions of frost and fire, Niflheim and Muspelheim. The heat from Muspelheim melted some of the frost from Niflheim, and from the liquid drops there grew a giant, Ymer. What did Ymer eat? It seems there was also a cow, Audhumla.

And what did she eat? Well, there was also some salt. And so on. I must not offend religious sensibilities, even Viking reli- gious sensibilities, but I think it is fair to say that this is not a very satisfying picture of the origin of the universe. Even leaving aside all objections to hearsay evidence, the story raises as many problems as it answers, and each answer requires a new complication in the initial conditions.

We are not able merely to smile at the Edda, and forswear all cosmogonical speculation - the urge to trace the history of the universe back to its beginning is irresistible. From the start of modem science in the sixteenth and seventeenth centuries, physicists and astronomers have returned again and again to the problem of the origin of the universe. However, an aura of the disreputable always surrounded such research. I remember that during the time that I was a student and then began my own research (on other problems) in the 1950s, the study of the early universe was widely regarded as not the sort of thing to which a respectable scientist would devote his time.

Nor was this Judgement www.com 14 The First Three Minutes unreasonable. Throughout most of the history of modem physics and astronomy, there simply has not existed an adequate observational and theoretical foundation on which to build a history of the early universe. Now, in just the past decade, all this has changed. A theory of the early universe has become so widely accepted that astronomers often call it 'the standard model'.

It is more or less the same as what is sometimes called the 'big bang' theory, but supplemented with a much more specific recipe for the contents of the universe. This theory of the early universe is the subject of this book. To help see where we are going, it may be useful to start with a summary of the history of the early universe, as presently understood in the standard model. This is only a brief run-through - succeeding chapters will explain the details of this history, and our reasons for believing any of it.

In the beginning there was an explosion. Not an explosion like those familiar on earth, starting from a definite centre and spreading out to engulf more and more of the circum- ambient air, but an explosion which occurred simultaneously everywhere, filling all space from the beginning, with every particle of matter rushing apart from every other particle. 'All space' in this context may mean either all of an infinite universe, or all of a finite universe which curves back on itself like the surface of a sphere. Neither possibility is easy to comprehend, but this will not get in our way; it matters hardly at all in the early universe whether space is finite or infinite.

At about one-hundredth of a second, the earliest time about which we can speak with any confidence, the temperature of the universe was about a hundred thousand million (1011) degrees Centigrade.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ