How the Universe Works

Bản thiết kế của vũ trụ được vẽ bằng các đường sức từ.

Từ trường giúp các ngôi sao bốc cháy.

Chúng định hình toàn bộ thiên hà.

Và cùng một lực tạo ra từ tính

là chất kết dính giữ mọi vật chất lại với nhau.

Nếu không có chất keo vũ trụ này, sẽ không có ngôi sao, không có hành tinh,

không có con người và không có ánh sáng.

Ngày 27 tháng 12 năm 2004

Trong khi nước Mỹ đang ngủ,

một sóng xung kích khổng lồ gợn sóng trong không gian.

Làn sóng vô hình đã di chuyển với tốc độ ánh sáng

trong 50.000 năm.

Nó làm rung chuyển từ trường bảo vệ của Trái đất...

..xé toạc một phần bầu khí quyển phía trên của chúng ta

và làm mù một số vệ tinh.

Đó là một trong những sự kiện lớn nhất từng thấy

trong vật lý thiên văn hiện đại.

Vụ nổ năng lượng rất lớn,

nhưng từ trường bảo vệ của Trái đất

chỉ đủ để ngăn chặn thiệt hại nghiêm trọng.

Mặc dù vậy, các nhà khoa học đã rất lo lắng.

Họ truy tìm thủ phạm.

Đó có phải là một siêu tân tinh khổng lồ?

Hay vòi phun từ một hố đen khổng lồ?

Nhưng các nghi phạm thông thường này không có lỗi.

Đây là một cái gì đó mới.

Nguồn được tìm thấy ở phía bên kia của thiên hà -

một ngôi sao nhỏ có từ trường mạnh hơn bất kỳ thứ gì

mà các nhà khoa học từng thấy trước đây.

Từ cách xa 50.000 năm ánh sáng,

vật thể nhỏ bé này, chỉ rộng vài dặm,

đang gào thét giận dữ đến mức nó tác động vật lý lên Trái đất.

May mắn thay, ngôi sao tử thần này ở rất xa.

Mặc dù vậy, khoa học đã nhận ra sức mạnh khủng khiếp của từ tính.

Nam châm có vẻ đơn giản -

chúng dính vào nhau hoặc đẩy nhau ra xa.

Có lẽ bạn đã quen với việc nghịch nam châm.

Bạn để chúng lại gần nhau và gần giống như chúng vươn ra

và nắm lấy nhau, kéo nhau lại.

Nhưng nếu bạn lật chúng, chúng sẽ đẩy nhau.

Một nam châm có thể hút và đẩy nhau.

Đặc tính đáng chú ý này dựa vào hai nam châm

hoán đổi các khối năng lượng mà các nhà vật lý gọi là các hạt.

Hóa ra những gì đang diễn ra là có những hạt

đang được trao đổi giữa nam châm này và nam châm này,

và những hạt đó được gọi là photon.

Đây là cùng các photon tạo ra ánh sáng.

Photon là những khối năng lượng mà mắt chúng ta phát hiện

để nhìn thế giới xung quanh chúng ta.

Bước vào cấp độ hạ nguyên tử

cho thấy photon là trung tâm của từ tính như thế nào.

Thế giới kỳ lạ này được cai trị bởi các định luật của cơ học lượng tử

và là nơi sinh sống của các đối tượng nhỏ bé như nguyên tử,

mỗi hạt nhân được bao quanh bởi một đám mây electron.

Hãy suy nghĩ về cấu trúc của một nguyên tử.

Có một điện tích dương cho hạt nhân

và sau đó các electron có một điện tích âm.

Chúng thu hút lẫn nhau.

Để giải thích lực này,

các nhà vật lý lượng tử cho rằng cả hạt nhân và electron

đều phun ra các chùm photon tồn tại trong thời gian ngắn.

Các hạt tích điện trái dấu hấp thụ ánh sáng của nhau

và điều này kéo chúng lại gần nhau.

Lực này được gọi là lực điện từ.

Bản thân các nguyên tử sẽ không giữ được với nhau

nếu không có lực điện từ.

Điện từ cũng dính các nguyên tử lại với nhau

để tạo thành các phân tử.

Và nó kết dính các phân tử lại với nhau để tạo nên chúng ta và mọi thứ xung quanh chúng ta.

Điện từ chịu trách nhiệm về chính cấu trúc vật chất của chúng ta -

các nguyên tử liên kết với nhau.

Các liên kết phân tử trong cơ thể chúng ta, chúng được liên kết với nhau

bởi các tương tác điện từ

và do đó chúng được liên kết với nhau bởi ánh sáng.

Một vũ trụ không có điện từ sẽ tan rã tại các đường nối.

Nếu điện từ bị tắt, vật chất sẽ tan biến.

Mọi thứ sẽ... bleurgh...sụp đổ.

Tôi có thể, với sức mạnh siêu phàm của mình, giữ bản thân tôi lại với nhau,

nhưng phần còn lại của bạn sẽ phải chịu số phận.

Không có điện từ, không có gì ở trạng thái rắn.

Khi bạn chạm vào thứ gì đó,

đó cũng là lực điện từ.

Chúng ta có các electron trong nguyên tử của mình và chúng đẩy nhau,

và khi bạn cố chạm vào vật gì đó,

những lực đó sẽ ngăn bạn thực sự chạm vào vật đó.

Lý do tôi không rơi xuyên qua sàn nhà

không phải là sàn nhà đặc biệt vững chắc,

phần lớn sàn nhà là không gian trống.

Chính lực điện của các nguyên tử trong sàn nhà

chống lại lực điện của các nguyên tử trong cơ thể tôi

đã giữ tôi đứng vững.

Chỉ những lực nhỏ của vài nguyên tử đó

cũng đủ để giữ tôi

chống lại toàn bộ lực hấp dẫn của Trái đất.

Các quy luật điện từ.

Lực điện từ mạnh hơn nhiều so với lực hấp dẫn.

Và bây giờ các nhà khoa học đang bắt đầu hiểu sức mạnh của nó

trên quy mô vũ trụ.

Quay ngược đồng hồ

về thời điểm vũ trụ mới chỉ 380.000 năm tuổi.

Không có ngôi sao hay hành tinh nào,

chỉ là một hỗn hợp dày đặc đang sôi sùng sục gồm các proton và electron bị kích thích,

lao vút qua một biển photon năng lượng cao.

Trong vũ trụ sơ khai, không có các nguyên tử,

bởi vì năng lượng quá mạnh

đến nỗi các hạt tích điện riêng biệt tồn tại trong một hỗn hợp nguyên thủy rất nóng, dày đặc.

Sau đó, khi vũ trụ nguội đi, mọi thứ thay đổi.

Giữa thời điểm vũ trụ được khoảng một phút tuổi

và thời điểm vũ trụ được 300.000 năm tuổi,

lực điện từ dần dần xuất hiện.

Và các proton và electron bắt đầu cảm thấy lực điện

và kết hợp thành các nguyên tử.

Về cơ bản, điện từ bắt đầu xác định động lực học của vật chất

và sự hình thành cuối cùng của mọi thứ chúng ta thấy.

Bây giờ điện từ có thể uốn cong cơ bắp của nó.

Nó kéo các electron và proton lại với nhau để tạo thành hydro,

nguyên tử đầu tiên.

Các nguyên tử hydro chụm lại với nhau để tạo thành những đám mây khí nóng.

Những đám mây mới hình thành này phát sáng...

...và ánh sáng của vũ trụ đã được bật lên.

Khi các nguyên tử mới hình thành xoáy quanh nhau,

hiệu ứng từ tính kết hợp của chúng ngày càng mạnh hơn.

Các nam châm nhỏ nhất trong vũ trụ là chính các nguyên tử

tạo ra, về cơ bản, thanh nam châm nhỏ

ở quy mô của thế giới hạ nguyên tử.

Các vi nam châm hydro bắt đầu thẳng hàng,

tạo ra những đường cao tốc rộng lớn chứa từ trường mạnh.

Và rồi theo thời gian, điều xảy ra là

những từ trường này bắt đầu phát triển.

Và do đó, tất cả các từ trường mà chúng ta thấy ngày nay trong vũ trụ của chúng ta

thực sự có thể được quy cho các từ trường nguyên thủy này.

Điện từ đã định hình vũ trụ sơ khai,

nhưng nó không dừng lại ở đó.

Nó tiếp tục hỗ trợ cho cột mốc tiếp theo

trong quá trình tiến hóa của vũ trụ - các vì sao.

Bức tranh cũ về cách các ngôi sao được hình thành

đó là tất cả những gì bạn cần là lực hấp dẫn và thời gian.

Nhưng chúng tôi đã hiểu ra rằng

vấn đề phức tạp hơn thế một chút.

Trên thực tế, từ trường đóng một vai trò cơ bản.

Vì vậy, có thể nếu không có những từ trường này,

các ngôi sao sẽ không tồn tại.

Một tỷ năm sau vụ nổ Big Bang,

từ tính đưa sự sống vào những ngôi sao đầu tiên của vũ trụ.

*

*

Các nhà thiên văn học từng tin rằng sự hình thành sao rất đơn giản...

...một đám mây khí liên sao khổng lồ tụ lại với nhau bởi lực hấp dẫn của chính nó.

Nhiệt độ và áp suất tăng lên khi khí bị nén...

...cho đến khi nó đủ nóng và đủ dày đặc

để phản ứng tổng hợp hạt nhân đốt cháy lõi.

Và một ngôi sao được sinh ra.

Ít nhất, đó là những gì các nhà khoa học từng nghĩ,

nhưng gần đây, họ phát hiện ra một vấn đề với lý thuyết đơn giản này.

Động lực chính khi bạn hình thành một ngôi sao là lực hấp dẫn.

Vật chất ngưng tụ ở trung tâm để tạo thành một ngôi sao.

Và khi ngôi sao đó hình thành, có vật chất xoáy xung quanh nó,

bị hút bởi khối lượng trung tâm đó bởi lực hấp dẫn của nó.

Nhưng có một vấn đề -

thứ này có cái được gọi là động lượng góc.

Động lượng góc ngăn Mặt trăng rơi vào Trái đất.

Các nhà khoa học nhận ra rằng chính lực này

sẽ ngăn khí rơi vào ngôi sao đang hình thành.

Vì vậy, ngôi sao sẽ không bao giờ đạt đến khối lượng tới hạn và không bao giờ bốc cháy.

Động lượng góc và lực hấp dẫn về cơ bản là đang trong một cuộc chiến.

Động lượng góc là thứ giữ cho mọi thứ quay xung quanh,

trong khi lực hấp dẫn muốn kéo nó vào giữa.

Nếu bằng cách nào đó chúng ta có thể làm mất động lượng góc đó,

thì quá trình hình thành sao sẽ diễn ra.

Trước khi một ngôi sao có thể được sinh ra, nó cần hút đủ khí

để tăng nhiệt độ trong lõi lên 15 triệu độ C.

Các nhà khoa học nhận ra rằng để điều đó xảy ra,

phải có thứ gì đó phá vỡ thế bế tắc

giữa lực hấp dẫn và động lượng góc.

Đó là nơi từ tính có thể đóng một vai trò.

Từ tính của tiền sao, ngôi sao đang hình thành,

thực sự có thể ảnh hưởng đến đĩa và làm nó chậm lại

và thực sự khiến nó rơi vào trong và giúp ngôi sao tự hình thành.

Khi các hạt tích điện di chuyển, chúng tạo ra từ trường.

Trong trường hợp này, khí xoáy và ngôi sao đang quay

tạo ra từ trường đủ mạnh

để làm chậm đám mây khí.

Từ tính hoạt động giống như một chiếc phanh vũ trụ.

Nó chậm lại một chút và cuối cùng xoắn ốc vào trung tâm,

lực hấp dẫn bắt đầu chiến thắng.

Lực hấp dẫn đánh bại động lượng góc

và sự hình thành sao xảy ra.

Cuối cùng bị từ trường làm chậm lại, lực hấp dẫn kéo khí lại gần hơn,

nghiền nát nó và làm nóng nó cho đến khi...

...bốc cháy.

Một ngôi sao chào đời.

12 tỷ năm trước, những ngôi sao đầu tiên bùng nổ sự sống.

Nếu không có từ tính, chúng ta vẫn ở trong bóng tối.

Nhưng từ tính cũng có thể mang lại sự hủy diệt khủng khiếp...

...và một số ngôi sao sơ khai này

được định sẵn để biến thành các con quái vật từ tính.

Quá trình biến đổi bắt đầu khi ngôi sao hết nhiên liệu.

Một phản ứng bất ngờ và dữ dội diễn ra.

Nó nổ tung.

Đây được gọi là một siêu tân tinh.