Vũ trụ đang mở rộng. Hầu hết chúng ta sẽ nghe thấy sự thật đó được thốt ra nhiều lần trong suốt cuộc đời của chúng ta.
Thật vậy, khi nhiều người trong chúng ta còn đi học, chúng ta được cho biết rằng Vũ trụ đang giãn nở, nhưng cuối cùng lực hấp dẫn của mọi vật chất trong Vũ trụ sẽ khiến sự giãn nở đó chậm lại và đảo ngược, dẫn đến một viễn cảnh tận thế của Vũ trụ đã biết. là ‘cuộc khủng hoảng lớn’.
Ngày nay, chúng ta biết rằng sự giãn nở của Vũ trụ không hề chậm lại. Nó đang tăng tốc. Chúng tôi gọi lực chưa biết đằng sau gia tốc này là năng lượng tối.
Nhưng chúng ta thực sự biết bao nhiêu về sự giãn nở của Vũ trụ và nó có thể cho chúng ta biết điều gì về cách các vật thể trong Vũ trụ hành xử?
Dưới đây là một số câu hỏi thường gặp nhất về sự giãn nở của Vũ trụ và những câu trả lời hay nhất mà chúng tôi có cho những câu hỏi đó cho đến nay.
Để biết thêm về vũ trụ học, hãy đọc câu trả lời của chúng tôi cho những câu hỏi lớn nhất về Vũ trụ hoặc đọc cuộc phỏng vấn của chúng tôi với nhà vật lý thiên văn Katie Mack.
Khi các nhà vũ trụ học nói rằng Vũ trụ đang giãn nở, họ muốn nói đến một điều gì đó rất cụ thể.
Họ đang nói rằng khoảng cách giữa các thiên hà – những viên gạch xây dựng cơ bản của Vũ trụ – đang tăng lên một cách có hệ thống theo thời gian.
Các phương trình Big Bang chứa một ‘hệ số tỷ lệ’, nếu nó tăng gấp đôi về kích thước, thì sẽ tăng gấp đôi khoảng cách giữa các thiên hà.
Do đó, khoảng cách giữa các thiên hà có thể tăng lên, cho dù Vũ trụ là hữu hạn hay vô hạn.
Trong trường hợp vũ trụ vô tận, chỉ cần tưởng tượng các thiên hà giống như nho khô trong một chiếc bánh đang nở – mẹ của tất cả các loại bánh, một loại kéo dài mãi mãi theo mọi hướng!
Tốc độ giãn nở của Vũ trụ được biểu thị bằng một đại lượng gọi là ‘hằng số Hubble’.
Luôn có nhiều tranh cãi về giá trị chính xác của nó, và đó là một con số liên tục được cập nhật bởi nghiên cứu mới, nhưng hằng số Hubble là khoảng 73 km/giây trên megaparsec (một megaparsec chỉ bằng hơn ba triệu năm ánh sáng).
Điều này có nghĩa là một thiên hà cách xa hơn ba triệu năm ánh sáng so với thiên hà khác đang lùi lại nhanh hơn 73 km/giây do sự giãn nở của Vũ trụ.
Tốc độ giãn nở được tính bằng tỷ lệ của hai đại lượng: vận tốc suy thoái của các thiên thể và khoảng cách tới các vật thể, cái sau khá khó xác định.
Tuy nhiên, việc tính toán độ lớn của Vũ trụ tại bất kỳ thời điểm nào trong quá khứ của nó thậm chí còn khó khăn hơn.
Điều này là do vào những thời điểm khác nhau, sự mở rộng của nó đã được thúc đẩy bởi những thứ khác nhau:
Vũ trụ thực sự có thể có phạm vi vô hạn, nhưng chúng ta chỉ có thể nhìn thấy phần mà từ đó ánh sáng đã có thời gian chiếu tới chúng ta trong 13,8 tỷ năm kể từ Vụ nổ lớn.
Sau phút đầu tiên, Vũ trụ quan sát được này rộng khoảng 500 năm ánh sáng; sau một ngày, khoảng 20.000 năm ánh sáng; sau một năm, khoảng 375.000 năm ánh sáng.
Ngày nay, Vũ trụ quan sát được kéo dài khoảng 96 tỷ năm ánh sáng.
Con số này lớn hơn 27,4 tỷ năm ánh sáng được mong đợi một cách ngây thơ từ thời đại của Vũ trụ, bởi vì Vũ trụ giãn nở nhanh hơn tốc độ ánh sáng trong lịch sử ban đầu của nó, điều này được cho phép mà không mâu thuẫn với bất kỳ lý thuyết nào của Einstein.
Đã từng có một ý kiến phổ biến rằng Vũ trụ đã co lại thành một ‘Vụ co lớn’ mà từ đó nó dội vào Vụ nổ lớn.
Nếu vậy, thì sẽ có một khoảnh khắc – tại điểm chuyển đổi khi quá trình co lại kết thúc và quá trình giãn nở bắt đầu – khi tốc độ giãn nở của Vũ trụ bằng không.
Tuy nhiên, ý tưởng Vũ trụ ‘nảy’ đã bị giáng một đòn mạnh vào những năm 1960 khi Roger Penrose và Stephen Hawking chứng minh rằng Vũ trụ phải bắt đầu từ một ‘điểm kỳ dị’.
Một khoảnh khắc có mật độ và nhiệt độ vô hạn như vậy phá vỡ các định luật vật lý và ngăn cản sự tồn tại của thời kỳ trước Vụ nổ lớn.
Tuy nhiên, ‘các định lý về điểm kỳ dị’ có thể không phải là từ cuối cùng. Một lý thuyết hấp dẫn ‘lượng tử’ tốt hơn có thể không có điểm kỳ dị và cho phép nảy lên.
Năng lượng không tự sinh ra hay mất đi mà chỉ chuyển từ dạng này sang dạng khác.
Vì vậy, ví dụ, một bóng đèn chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng ánh sáng và năng lượng nhiệt.
Nhưng nguyên lý ‘bảo toàn năng lượng’ này – và tất cả năng lượng đều có khối lượng tương đương – có áp dụng cho toàn bộ Vũ trụ không? Chúng tôi nghĩ vậy.
Tuy nhiên, thuyết lượng tử cho chúng ta biết rằng tự nhiên sẽ nhắm mắt làm ngơ nếu năng lượng được tạo ra trong một khoảng thời gian đủ ngắn trước khi lại biến mất.
Do đó, Vũ trụ có thể đã phát sinh như một ‘dao động lượng tử’, một hạt giống năng lượng khối lượng xuất hiện từ hư vô.
Theo lý thuyết lạm phát, hầu hết khối lượng-năng lượng của Vũ trụ đến từ năng lượng của chân không – bữa trưa miễn phí cuối cùng, như các nhà vũ trụ học nói.
Câu trả lời đơn giản là Vũ trụ đã mở rộng nhanh hơn tốc độ ánh sáng từ rất sớm.
Mặc dù người ta tin rằng tốc độ ánh sáng là giới hạn tốc độ vũ trụ, nhưng điều này chỉ đúng trong thuyết tương đối ‘đặc biệt’ của Einstein năm 1905.
Einstein sau đó đã cải thiện và mở rộng lý thuyết này, công bố thuyết tương đối ‘tổng quát’ của mình vào năm 1915.
Đó là một lý thuyết về lực hấp dẫn, vì vậy một năm sau, Einstein đã áp dụng nó cho khối lượng hấp dẫn lớn nhất mà ông có thể nghĩ đến – toàn bộ Vũ trụ.
Thật không may, bởi vì anh ấy đã gắn bó với ý tưởng về một Vũ trụ không thay đổi, hay ‘tĩnh’, nên anh ấy đã bỏ lỡ các vũ trụ ‘tiến hóa’, hay Vụ nổ lớn, trong các phương trình của mình.
Trong những vũ trụ như vậy, không gian mở rộng từ một vụ nổ ban đầu và không gian mở rộng này mang theo các thiên hà cùng với nó như thể chúng được cố định vào một loại vải nào đó.
Kết cấu của không thời gian, bởi vì nó là tấm vải nền của vở kịch vũ trụ và không phải là một vật thể có khối lượng lớn, nên có thể mở rộng theo bất kỳ tốc độ nào mà nó muốn.
Và, chắc chắn rằng các nhà thiên văn học thấy rằng Vũ trụ có bề ngang 92 tỷ năm ánh sáng mặc dù nó mới tồn tại được 13,8 tỷ năm.
Theo quan điểm tiêu chuẩn, nó trải qua một đợt bùng nổ giãn nở cực nhanh, nhanh hơn ánh sáng, trong tích tắc đầu tiên của sự tồn tại.
Sự lạm phát này được thúc đẩy bởi lực hấp dẫn đẩy của một trạng thái bất thường của chân không.
Khi lạm phát hết hơi, năng lượng to lớn của ‘chân không giả’ này tạo ra vật chất và làm nóng nó đến nhiệt độ cực cao. Nó đã tạo ra vụ nổ Big Bang nóng bỏng.
Khi các nhà thiên văn quan sát ánh sáng phát ra từ các nguyên tử trong một thiên hà xa xôi, họ thấy rằng bước sóng của nó bị kéo dài và được cho là dịch chuyển đỏ.
Họ giải thích điều này là do sự giãn nở của Vũ trụ trong thời gian ánh sáng truyền qua không gian đến Trái đất.
Hãy nghĩ về một làn sóng được vẽ trên một quả bóng bay đang được thổi phồng và bạn sẽ hiểu được phần nào về hiệu ứng này.
Nếu Vũ trụ đang giãn nở với tốc độ ổn định, thì ánh sáng từ một thiên hà đã được kéo dài gấp đôi bước sóng bình thường của nó có nghĩa là Vũ trụ đã tăng gấp đôi kích thước kể từ khi ánh sáng được phát ra.
Nhưng làm thế nào các nhà thiên văn học có thể kiểm tra xem Vũ trụ có đang giãn nở đều đặn hay không?
Họ sử dụng một ‘ngọn nến tiêu chuẩn’ – một thiên thể có độ sáng và khoảng cách đã biết ở sân sau vũ trụ của chúng ta.
Sau đó, các nhà thiên văn tìm kiếm một vật thể tương tự trong Vũ trụ xa xôi.
Nếu dịch chuyển đỏ của nó ngụ ý rằng nó ở xa gấp đôi, thì nó phải mờ gấp 4 lần; nếu dịch chuyển đỏ của nó cho thấy nó ở xa gấp ba lần, thì nó phải mờ gấp 9 lần, v.v.
Năm 1998, các nhóm nhà khoa học từ Mỹ và Úc đã quan sát thấy một loại nến tiêu chuẩn trong các thiên hà xa xôi được gọi là siêu tân tinh loại Ia.
Họ phát hiện ra rằng những siêu tân tinh có dịch chuyển đỏ ngụ ý rằng chúng ở xa gấp đôi so với những siêu tân tinh khác thì sáng bằng một phần tư.
Từ dữ liệu này, các nhà khoa học suy luận rằng Vũ trụ đã mở rộng hơn dự kiến vì ánh sáng từ siêu tân tinh đã bắt đầu hành trình dài đến Trái đất.
Do đó, sự giãn nở của Vũ trụ đã tăng tốc kể từ khi các ngôi sao phát nổ lần đầu tiên.
Vũ trụ ra đời cách đây khoảng 13,8 tỷ năm. Do đó, chúng ta chỉ có thể nhìn thấy các ngôi sao và thiên hà có ánh sáng mất chưa đầy 13,8 tỷ năm để đến Trái đất.
Điều này tạo ra một “Vũ trụ có thể quan sát được” bao quanh bởi một “đường chân trời” hình cầu có tâm là Trái đất. Ngoài đường chân trời là những ngôi sao và thiên hà mà chúng ta chưa thể nhìn thấy vì ánh sáng của chúng vẫn đang truyền tới Trái đất.
Chúng ta càng nhìn xa hơn vào Vũ trụ bằng kính viễn vọng của mình, chúng ta càng thấy các thiên hà quay ngược thời gian vì tốc độ ánh sáng hữu hạn.
Các thiên hà xa xôi gần vụ nổ Big Bang hơn, vì vậy chúng chuyển động nhanh hơn.
Ở khoảng cách của đường chân trời, chúng đang lùi lại với tốc độ chính xác bằng tốc độ ánh sáng.
Chúng ta không thể nhìn thấy các vật thể vượt ra ngoài điều này vì ánh sáng của chúng cần phải truyền nhanh hơn ánh sáng, điều này là không thể.
Tương tự như vậy, chúng ta không thể du hành tới chúng vì chúng ta sẽ phải di chuyển nhanh hơn ánh sáng, và tốc độ ánh sáng, theo những gì chúng ta biết, là giới hạn tốc độ vũ trụ đối với mọi vật thể có khối lượng.
Tuy nhiên, nếu chúng ta có thể di chuyển với tốc độ ánh sáng, chúng ta sẽ có thể tiếp cận tất cả các ngôi sao trong Vũ trụ quan sát được.