Hình dạng của vũ trụ không như bạn nghĩ: Từ bầu trời tròn cổ xưa đến chiếc bánh rán ba chiều hiện đại

Kể từ khi con người bắt đầu suy nghĩ về sự tồn tại của chính mình và môi trường xung quanh, họ bắt đầu tò mò và khám phá hình dạng của vũ trụ. Các nền văn minh và thời đại khác nhau đã đưa ra những câu trả lời khác nhau. Thời xa xưa, người ta thường tin rằng vũ trụ là một cấu trúc nhị phân gồm trời và đất. Bầu trời là một mái vòm tròn và Trái Đất là một bệ hình vuông. Giữa chúng có một số cây cột hoặc đỉnh để được hỗ trợ. Những mô hình vũ trụ này chỉ có thể được coi là tưởng tượng của con người trong thời đại thần thoại và không thể chịu được sự giám sát kỹ lưỡng.

Với sự tiến bộ của khoa học công nghệ và sự khám phá ngày càng sâu rộng, chúng ta có nhiều manh mối và bằng chứng hơn về hình dạng của vũ trụ, nhưng chúng ta cũng có nhiều câu hỏi và nhầm lẫn hơn. 

Theo thuyết tương đối rộng của Einstein, hình dạng của vũ trụ phụ thuộc vào mật độ và độ cong của nó, và nó có thể phẳng, mở hoặc đóng. Dữ liệu quan sát gần đây cho thấy mật độ của vũ trụ rất gần với mật độ tới hạn, tức là hình dạng của vũ trụ rất gần với phẳng. Tuy nhiên, điều này không loại trừ khả năng hình dạng của vũ trụ có thể khác, chẳng hạn như một không gian phẳng đa kết nối, là một chiếc bánh rán ba chiều. 

Điều này có nghĩa là nếu chúng ta tiếp tục bay theo một hướng, cuối cùng chúng ta sẽ quay trở lại nơi xuất phát, giống như trên một chiếc lốp xe khổng lồ. Nếu vũ trụ thực sự là một chiếc bánh rán, chúng ta sẽ thấy cảnh tượng kỳ lạ nào?

Hình dạng của vũ trụ là gì? Đầu tiên chúng ta cần hiểu một khái niệm đó là tính phẳng của vũ trụ. Độ phẳng của vũ trụ đề cập đến các tính chất hình học của vũ trụ, tức là không gian trong vũ trụ có phải là không gian Euclide hay không, tức là không gian phẳng mà chúng ta quen thuộc. 

Trong không gian Euclide, các đường thẳng song song không bao giờ cắt nhau và tổng các góc trong của một tam giác bằng 180 độ. Nếu vũ trụ phẳng thì đó là không gian Euclide. Nếu vũ trụ không phẳng thì nó là một không gian phi phẳng - một không gian cong. Trong không gian cong, các đường thẳng song song có thể cắt nhau và tổng các góc trong của một tam giác có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn 180 độ. 

Vậy làm sao chúng ta biết được vũ trụ có phẳng hay không? Có một cách đơn giản để quan sát ánh sáng trong vũ trụ. Ánh sáng là sóng điện từ truyền với tốc độ không đổi trong chân không và luôn đi theo con đường ngắn nhất là đường trắc địa. Nếu vũ trụ phẳng thì trắc địa là những đường thẳng và ánh sáng sẽ luôn truyền theo những đường thẳng mà không bị uốn cong. Nếu vũ trụ không phẳng thì đường trắc địa sẽ có đường cong và ánh sáng sẽ bị uốn cong thành đường cong không gian. Vì vậy, bằng cách quan sát sự bẻ cong của ánh sáng, chúng ta có thể xác định được độ phẳng của vũ trụ.

Vậy chúng ta sử dụng loại ánh sáng nào để quan sát? Lựa chọn tốt nhất là bức xạ nền vi sóng vũ trụ, ánh sáng lâu đời nhất còn sót lại sau Vụ nổ lớn. Ánh sáng này bao phủ gần như toàn bộ vũ trụ, chúng là vật chỉ thị nhiệt độ nhiệt động của vũ trụ và là nhân chứng cho cấu trúc cũng như sự tiến hóa của nó. 

Thông qua các phép đo chính xác của bức xạ nền vi sóng vũ trụ, chúng ta có thể thu được một số thông số quan trọng của vũ trụ, như tuổi của vũ trụ, mật độ của vũ trụ, thành phần của vũ trụ và độ phẳng của vũ trụ. 

Theo dữ liệu được quét bởi vệ tinh Planck của Cơ quan Vũ trụ Châu Âu vào năm 2018, vũ trụ nhìn chung rất phẳng nhưng vẫn có những độ nghiêng và gợn sóng nhẹ, nói chung trong phạm vi vũ trụ mà con người có thể tiếp cận, các đường thẳng song song vẫn tồn tại. chúng không cắt nhau thì tổng các góc trong của các tam giác vẫn có thể bằng 180 độ. 

Điều này có nghĩa là hình học của vũ trụ có thể là một mặt phẳng mở rộng vô tận, đó là không gian Euclide. Nhưng đây không phải là khả năng duy nhất, vì còn có một không gian cong đặc biệt trông phẳng cục bộ nhưng lại đóng toàn cục. Không gian tôpô là không gian thu được bằng cách xoắn và dán không gian, các tính chất của nó không phụ thuộc vào kích thước và hình dạng của không gian mà phụ thuộc vào sự kết nối và số lượng lỗ trống trong không gian. Có nhiều loại không gian tôpô, một trong số đó là chiếc bánh rán hay chiếc lốp quen thuộc. Chiếc bánh rán là một khoảng trống có lỗ, có thể thu được bằng cách xoắn và dán một bề mặt phẳng.

Cụ thể là dán hai mặt đối diện của một mặt phẳng để được hình trụ, sau đó dán hai mặt tròn của hình trụ để được hình chiếc bánh rán. Bằng cách này, một mặt phẳng vô hạn sẽ trở thành một chiếc bánh rán hữu hạn, nhưng tại bất kỳ điểm nào trên chiếc bánh rán. Do đó, chiếc bánh rán là một không gian phẳng cục bộ nhưng đóng toàn cục. 

Vậy vũ trụ có phải là một chiếc bánh rán không? Vẫn chưa có câu trả lời chắc chắn cho câu hỏi này, nhưng có một số manh mối và bằng chứng. Manh mối trực tiếp nhất là ánh sáng từ sự khởi đầu của vũ trụ, đó là bức xạ nền vi sóng vũ trụ. Nếu vũ trụ là một chiếc bánh rán, thì ánh sáng trong vũ trụ sẽ liên tục quay quanh chiếc bánh rán, tạo thành nhiều hình ảnh chồng lên nhau. Những hình ảnh này giống như dấu vân tay của vũ trụ và chúng có thể được tìm thấy trong biểu đồ nhiệt độ của bức xạ nền vi sóng vũ trụ. 

Cụ thể là tìm kiếm một số mẫu đặc biệt trên bản đồ phân bố nhiệt độ, chẳng hạn như các vòng, dấu chấm hoặc các hình đối xứng khác. Những mô hình này là những đặc điểm tôpô của vũ trụ và chúng phản ánh hình dạng và kích thước của nó.

Theo phân tích của một số nhà khoa học, thực sự có một số đặc điểm tôpô có thể có trong bản đồ phân bố nhiệt độ của bức xạ nền vi sóng vũ trụ. Ví dụ, có một phương pháp gọi là "thống kê vòng", đó là tìm một số vòng tương tự trên bản đồ phân bố nhiệt độ, bán kính và nhiệt độ của chúng giống nhau, nhưng vị trí của chúng khác nhau. 

Theo phương pháp này, một số người ước tính bán kính của vũ trụ vào khoảng 300-400 tỷ năm ánh sáng. Vũ trụ quan sát được mà chúng ta có thể nhìn thấy chỉ là một phần nhỏ của chiếc bánh rán, phần còn lại bị giới hạn bởi tốc độ ánh sáng và thuộc về “sương mù vũ trụ” mà các nhà thiên văn học không thể nhìn thấy. 

Tất nhiên, ước tính này không chắc chắn và chứa đựng nhiều điều sai sót. Do bản đồ phân bố nhiệt độ của bức xạ nền vi sóng vũ trụ không hoàn hảo nên nó còn bị ảnh hưởng bởi nhiễu, nhiễu từ nhiều yếu tố. Ví dụ, bụi, các thiên hà, cụm thiên hà và các vật chất khác trong vũ trụ sẽ có thêm một số tác động lên bức xạ nền vi sóng vũ trụ, những hiệu ứng này sẽ làm cho bản đồ phân bố nhiệt độ của bức xạ nền vi sóng vũ trụ bị mờ và phức tạp, từ đó che đậy cấu trúc liên kết của vũ trụ.

Do đó, cần có nhiều dữ liệu và phân tích hơn để tìm ra hình dạng chiếc bánh rán của vũ trụ từ bản đồ phân bổ nhiệt độ của bức xạ nền vi sóng vũ trụ. Vậy hình dạng chiếc bánh rán của vũ trụ có ý nghĩa gì với chúng ta? Đầu tiên, nó có nghĩa là vũ trụ là một không gian giới hạn, nó không mở rộng vô tận. Điều này mang đến một giới hạn cho việc khám phá vũ trụ, chúng ta không bao giờ có thể nhìn thấy toàn bộ vũ trụ và không bao giờ có thể biết được sự thật của vũ trụ. 

Thứ hai, nó có nghĩa là vũ trụ là một không gian có tính tuần hoàn, nó không phải là sự kiện xảy ra một lần. Điều này tạo ra một chu kỳ tiến hóa của vũ trụ, vũ trụ có thể chuyển đổi liên tục giữa giãn nở và co lại hoặc có thể chuyển đổi giữa các bánh rán khác nhau. Cuối cùng, điều đó có nghĩa là vũ trụ là một không gian đa dạng, nó không phải là duy nhất. Điều này mang đến khả năng tồn tại của vũ trụ, vũ trụ có thể không bị cô lập mà kết nối với các vũ trụ khác để tạo thành đa vũ trụ.

Tham khảo: Zhihu