Nobel Prize in Physics 2006

Ngày 3/10/2006, Viện Hàn lâm khoa học Hoàng gia Thụy Điển đã công bố giải Nobel Vật lý 2006 cho 2 nhà vật lý người Mỹ, John C. Mather (NASA) và George F. Smoot (Univ. California, Berkeley). John C. Mather đã phát hiện ra dạng cơ bản của bức xạ nền microwave vũ trụ (CMB, cosmic microwave background radiation). George F. Smoot phát hiện tính bất đẳng hướng của CMB. Phát hiện này góp phần củng cố lý thuyết Big Bang và đặt nền tảng cho vũ trụ học trở thành một khoa học chính xác.

Theo lý thuyết Big Bang, vũ trụ gần khoảng 13.7 tỷ năm tuổi. Vào thời điểm ban đầu, vũ trụ ở trạng thái đồng nhất, rất nóng, mật độ vật chất (photon, electron và các baryon) rất lớn, và giản nở rất nhanh. Khoảng 380.000 năm sau Big Bang, nhiệt độ lúc này là 3000 K photon không còn đủ năng lượng tương tác với các hạt và có thể tự do di chuyển trong không gian. Vũ trụ tiếp tục giãn nở, nguội lạnh và để cho các photon tự do di chuyển. Các dòng photon (bức xạ) này có mặt khắp trong vũ trụ, chúng ta gọi là bức xạ nền microwave vũ trụ và năng lượng hiện nay ghi nhận được tương ứng với 2.7 K.

Lý thuyết vũ trụ giãn nở được đề xuất do Friedmann (1922) và Lemaître (1927). Khoảng năm 1960, xuất hiện tranh cãi về trạng thái của vũ trụ: vũ trụ đang ở trạng thái tĩnh hay giãn nở theo thuyết Big Bang. Năm 1964, Penzias và Wilson, trong khi cố tìm hiểu nguyên nhân gây nhiễu tín hiệu radio, họ đã phát hiện ra CMB. Với phát hiện này 2 ông đoạt giải Nobel Vật lý 1978. Nhưng trước đó George Gamow, Ralph Alpher, và Robert Hermann đã tiên đoán sự tồn tại của CMB vào năm 1949.Phát hiện CMB năm 1964 đã hoàn toàn củng cố cho lý thuyết Big Bang. Sau đó có rất nhiều nghiên cứu tập trung vào CMB, và đã hiểu chút ít về bản chất sinh ra từ vật thể đen và tính bất đẳng hướng của CMB. Nhưng các kết quả bị nhiễu nhiều và không được chính xác do hấp thu của khí quyển.

Năm 1974, NASA lên kế hoạch phóng vệ tinh COBE lên quỹ đạo trái đất để nghiên cứu về thiên văn và CMB. Với sự cộng tác của hàng ngàn nhà khoa học, kỹ sư; John C. Mather phụ trách về ghi nhận phổ sinh ra từ vật thể đen của CMB, George F. Smoot phụ trách ghi nhận các thay đổi nhỏ của CMB theo các hướng khác nhau. Năm 1989, COBE được phóng lên quỹ đạo.

Sơ đồ thiết bị trên COBE:

Sơ đồ ghi nhận phổ CMB và so sánh với phổ bức xạ từ vật thể đen:

Sơ đồ ghi nhận thay đổi nhiệt độ theo các hướng:

Kết quả từ COBE cho thấy: CMB có bản chất như bức xạ xuất phát từ vật thể đen ở nhiệt độ 2, 725 K. Các thăng giáng nhiệt độ theo các hướng khoảng 10^(-5). Các số liệu đã được kiểm chứng từ vệ tinh WMAP phóng sau đó và có độ phân giải cao hơn. Sự khác biệt nhiệt độ theo các hướng, chứng tỏ bức xạ đã tương tác với các vật chất trong vũ trụ, cả vật chất thấy được và vật chất tối. Từ đây đồng thời đặt nền tảng cho vật lý hạt và vũ trụ học nghiên cứu vật chất tối trong vũ trụ.