Sự thật là vũ trụ đang tự mở rộng nhưng mở rộng trong cái gì?

Một trong những phát hiện vĩ đại nhất trong thế kỷ 20 là vũ trụ đang tự nó mở rộng. Khi Einstein đưa ra thuyết tương đối rộng, ông nhanh chóng nhận ra có một hệ quả của nó khiến ông không hài lòng. Đó là vũ trụ tràn ngập vật chất theo mọi hướng, nó sẽ không thể ổn định và không thể chống lại sự sụp đổ hấp dẫn, khi mọi vật thể hút nhau và đều bị hủy diệt.

Năm 1917, một năm sau thuyết tương đối rộng được công bố, Einstein bổ sung một khái niệm gọi là hằng số hấp dẫn. Nó chịu trách nhiệm cho một ngoại lực vô hình mà đang ngăn cản sự sụp đổ của vũ trụ.

Tuy nhiên, nếu hằng số vũ trụ không tồn tại, các nhà khoa học vẫn có thể chứng minh vũ trụ không sụp đổ theo cách khác. Lý thuyết và các quan sát thực nghiệm từ năm 1930 cho thấy vũ trụ đang tự nó mở rộng.

Vũ trụ ngày càng mở rộng sau vụ nổ Big Bang và vẫn chưa dừng lại

Trở lại những năm 1910, Vesto Slipher, một nhà thiên văn học người Mỹ nhận thấy rằng các “tinh vân xoắn ốc” trên bầu trời đang có sự dịch chuyển đỏ. Đây là bằng chứng cho việc chúng đang ngày càng di chuyển ra xa chúng ta.

Thập kỷ tiếp theo đó, một nhà thiên văn học người Mỹ khác, Edwin Hubble, chứng minh rằng “tinh vân xoắn ốc” mà Slipher quan sát được chính là một thiên hà. Ông cũng xác định khoảng cách của chúng đối với Trái Đất.

Nếu bạn kết hợp hai dữ kiện này lại bạn sẽ nhận ra các thiên hà đang ngày càng rời xa chúng ta. Và có một xu hướng thú vị nữa: các thiên hà càng xa, chúng lại di chuyển càng nhanh.

Một dịch chuyển đỏ nghĩa là thiên hà đang rời xa chúng ta

Giải thích cho điều này, rất nhiều yếu tố được các nhà khoa học xét đến. Ví dụ như ánh sáng từ những thiên hà xa xôi “biết mệt mỏi”, chúng mất năng lượng dần khi truyền qua không gian. Hoặc một vụ nổ lớn đến nỗi đẩy các thiên hà cách xa chúng ta từ lâu.

Tuy nhiên, chỉ một giả thuyết được xác nhận bởi cả lý thuyết tương đối rộng và tất cả các quan sát thiên văn mà loài người có được khi đó: Không gian của vũ trụ đang tự nó mở rộng.

Dữ liệu nghiên cứu của Hubble cho thấy sự rời xa của các tinh vân

Một kết luận khó hiểu đối với đa số mọi người. Họ sẽ tự hỏi “Nếu nó tự mở rộng, nó mở rộng trong cái gì và như thế nào? Vũ trụ phồng lên như thổi một quả bóng hay nó dãn ra như một chiếc dây chun?"

Những câu hỏi rất hợp lý. Kinh nghiệm trong suốt cuộc đời chúng ta cho thấy rằng một khinh khí cầu phồng lên theo mọi hướng, một quả bóng bay cũng vậy khi chúng ta thổi đầy khí vào đó. Nhưng hãy nghĩ về điều này: Bạn có thực sự cần thổi không khí để mở rộng quả bóng bay?

Có thể là không cần. Ví dụ, trong trường hợp bạn dùng tay để kéo giãn nó. Và khi có thêm một người nữa, 4 bàn tay có thể kéo nó mở rộng theo mọi hướng. Có rất nhiều, rất nhiều cách để khiến một thứ gì đó mở rộng ra.

Vũ trụ mở rộng tương tự một quả bóng bay, và các thiên hà giống những chấm được vĩ trên đó?

Nhưng bây giờ hãy tưởng tượng, bạn không còn khổng lồ để nhìn một quả bóng nay như thế nữa. Bạn bị thu nhỏ đến nỗi quả bóng trở thành lớn như vũ trụ. Và tầm nhìn của bạn chỉ giới hạn xung quanh đường tròn bán kính nửa milimet mà thôi.

Lúc này, dù quả bóng bị kéo dãn theo cách nào đi chăng nữa, khi nhìn tất cả mọi khu vực trong bán kính nửa milimet, bạn cũng sẽ thấy chúng di chuyển ra xa bạn. Không chỉ có vậy, những khu vực ở càng xa, đúng là tốc độ di chuyển của chúng càng nhanh. Điều này chẳng khác nào Edwin Hubble đã quan sát được từ đầu thế kỷ 20, và cho tới nay nó vẫn xảy ra với vũ trụ.

Nhưng nếu vũ trụ mở rộng, cái gì đã gây ra điều đó? Có phải quả bóng vũ trụ đang bị kéo giãn bởi một bàn tay khổng lồ bên ngoài? Liệu bên ngoài vũ trụ vẫn còn một không gian nữa và ai đó đã thổi không khí vào bên trong để nó phồng lên? Có một cái gì đó gắn liền với bản thân trái bóng khiến nó tự nguyện giãn nở? Hoặc là thiết lập ban đầu của quả bóng đã là trạng thái mở rộng rồi?

Liệu có cái gì đó bên ngoài vũ trụ đang kéo giãn nó?

Thật đáng tiếc, câu trả lời đầy đủ và trung thực nhất hiện nay là: Chúng ta không biết. Tệ hơn nữa, lời khẳng định tiếp theo là: Chúng ta không thể biết. Từ vị trí của chúng ta, chỉ có thể quan sát được quả bóng đang mở rộng mà thôi.

Khoa học ngày nay có thể giả định là có nhiều quả bóng hơn là quả bóng chúng ta đang sống trên đó. Rồi chúng ta có thể theo dõi chính xác làm thế nào quả bóng giãn nở theo thời gian. Chúng ta có thể đo đạc mọi tính chất ảnh hưởng lên quá trình đó. Thật vậy, cho đến khi vấn đề còn nằm trên quả bóng, khoa học có thể làm được điều đó.

Chỉ có điều, vượt ra ngoài quả bóng chúng ta chẳng còn thông tin gì, để nói bất cứ điều gì. Vũ trụ của chúng ta hiện nay giống như một phiên bản 3 chiều của bề mặt chiếc bánh. Những thiên hà giống như nho khô rắc trên đó.

Vũ trụ giống như chiếc bánh, thiên hà như những miếng nho khô

Chúng ta có thể đo đạc những miếng nho khô. Có thể giả sử rằng có nhiều nho khô và thậm chí nhiều bánh hơn ở ngoài tầm nhìn của mình. Nhưng đó là tất cả những gì chúng ta biết. Chúng ta có thể xác định lịch sử mở rộng của vũ trụ, và thậm chí đã phát hiện nó mở rộng ngày càng nhanh. Nhưng mọi thứ xảy ra bên ngoài những gì có thể quan sát, chúng ta có nhiều câu hỏi hơn là câu trả lời.

Liệu một quả bóng xẹp lép 2 chiều phồng lên trong không gian 3 chiều, thì một vũ trụ 3 chiều có thể phồng lên trong không gian 4 chiều hay không? Liệu có một cửa tiệm làm bánh bên ngoài nơi chúng ta sinh sống và có thể quan sát, cảm nhận? Ổ bánh của chúng ta có vô tận, hay đó chỉ là do chúng ta quá nhỏ bé để nhìn thấy thứ bên ngoài nó? Hay nó có đang nở trong một cái khuôn và tràn ra lò vi sóng?

Những kịch bản cho sự mở rộng của vũ trụ

Loài người không chỉ không biết về những điều đó. Thậm chí, chúng ta còn chẳng có ý tưởng nào để trả lời được những câu hỏi này. Nhưng đó cũng là một sự thú vị của khoa học. Cho đến khi chúng ta biết về những gì bên ngoài vũ trụ, hãy cứ chấp nhận những câu trả lời nghe quá vô lí của khoa học.

Vũ trụ không cần mở rộng bên trong bất cứ thứ gì. Bởi bản thân nó là thứ vĩ đại và to lớn nhất. Bản thân vũ trụ, tự nó mở rộng. Bởi vì một người đàn ông đã nghĩ ra thuyết tương đối rộng, và nó hợp lý với điều đó. Nhưng loài người với trí thông minh vẫn tồn tại, chúng ta không chỉ có một người đàn ông. Nếu may mắn trong tương lai, chúng ta sẽ có những câu trả lời dễ hiểu.

Tham khảo Forbes