Tại sao bầu trời đêm lại có màu đen? Một câu hỏi tưởng chừng bình thường nhưng lại ẩn chứa kết cục của loài người!

"Nghịch lý của Obers" là một quan điểm được đề xuất bởi nhà thiên văn học người Đức Heinrich Olbers vào những năm 1820. Quan điểm cơ bản của nó là vũ trụ là vô hạn và có vô số ngôi sao trong đó. 

Theo suy đoán lý thuyết, ngay cả khi một ngôi sao mờ hơn nhiều so với Mặt Trời, ánh sáng từ vô số ngôi sao cũng có thể chiếu sáng bầu trời đêm trên Trái Đất. Tuy nhiên, bầu trời đêm mà chúng ta nhìn thấy lại tối tăm, điều này tạo ra một nghịch lý. 

Một số người có thể cho rằng điều này là do các ngôi sao ở quá xa chúng ta và ánh sáng của chúng sẽ yếu đi trong quá trình truyền sóng, nên khi đến Trái Đất, chúng đã quá mờ để có thể nhận biết được. Nhưng cách giải thích này sai, vì cường độ ánh sáng của một ngôi sao tuân theo "định luật bình phương nghịch đảo", tức là: cường độ ánh sáng của một ngôi sao tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách. Điều này có nghĩa là trong khi cường độ ánh sáng của một ngôi sao giảm theo khoảng cách thì số lượng sao lại tăng theo khoảng cách và hai yếu tố này bù trừ chính xác cho nhau. 

Để minh họa điều này, chúng ta có thể tưởng tượng một lớp vỏ hình cầu có tâm là Trái Đất, có bán kính tùy ý nhưng độ dày cố định. Trên lớp vỏ hình cầu này, tổng cường độ ánh sáng của các ngôi sao bằng số lượng sao nhân với cường độ ánh sáng của một ngôi sao và giá trị này không thay đổi khi bán kính thay đổi. 

Nếu chúng ta chia vũ trụ thành vô số những lớp vỏ hình cầu như vậy thì mỗi lớp vỏ hình cầu sẽ mang lại cho chúng ta cường độ ánh sáng như nhau và tổng của chúng là vô cùng, đây chính là đạo hàm toán học của nghịch lý Olbers. 

Vì vậy, có thể nào một số vật chất trong vũ trụ, chẳng hạn như khí liên sao, bụi hoặc các thiên thể không phát sáng khác, chặn hoặc hấp thụ ánh sáng của các ngôi sao ở xa, ngăn chúng đến mắt chúng ta? 

Giả định này tưởng chừng có thể giải được nghịch lý Olbers nhưng nó cũng có một sai sót chết người, đó là định luật bảo toàn năng lượng. Khi ánh sáng từ các ngôi sao ở xa bị các vật liệu này chặn hoặc hấp thụ, năng lượng do ánh sáng mang theo sẽ không biến mất mà sẽ chuyển thành nhiệt năng của các vật liệu này, khiến nhiệt độ của chúng tăng lên. 

Nếu vũ trụ là vĩnh cửu thì sau một thời gian đủ dài, nhiệt độ của những vật chất này sẽ gần bằng nhiệt độ của các ngôi sao ở xa và chúng sẽ tỏa sáng như những ngôi sao, cuối cùng chiếu sáng bầu trời đêm của Trái Đất. Vì vậy, cách giải thích này về cơ bản không thể loại bỏ được nghịch lý Olbers.

Phải đến những năm 1920, những khám phá của nhà thiên văn học người Mỹ Edwin Hubble mới đưa ra lời giải thích hợp lý hơn cho “Nghịch lý Obers”. Ông quan sát thấy các thiên hà xa xôi đang di chuyển ra xa chúng ta, điều này cho thấy vũ trụ đang ở trạng thái giãn nở liên tục. Khám phá này lần đầu tiên cho thấy vũ trụ không tĩnh, trái ngược với vũ trụ tĩnh mà "Nghịch lý của Obers" giả định. 

Ngoài ra, sự giãn nở liên tục của vũ trụ cũng tiết lộ lịch sử tiến hóa của vũ trụ. Nếu quay ngược thời gian, chúng ta sẽ thấy rằng khoảng 13,8 tỷ năm trước, vũ trụ ở trạng thái cực kỳ đậm đặc gọi là "điểm kỳ dị". Theo vũ trụ học Big Bang, điểm kỳ dị này là trạng thái ban đầu của vũ trụ, tức là vũ trụ bắt nguồn từ một điểm cực kỳ nóng và có mật độ cao, sau đó trải qua một vụ nổ cực lớn, vũ trụ bắt đầu giãn nở và dần dần hình thành nên vũ trụ rộng lớn mà chúng ta thấy. 

Đồng thời, sự giãn nở liên tục của vũ trụ cũng gây ra sự dịch chuyển đỏ của ánh sáng từ các ngôi sao ở xa. Do sự giãn nở của vũ trụ, hai điểm bất kỳ không chồng lên nhau đều có vận tốc di chuyển ra xa nhau, gọi là "vận tốc hồi quy". Khoảng cách càng xa thì tốc độ hồi quy càng lớn. Khi chúng ta quan sát các ngôi sao ở xa, ánh sáng chúng phát ra bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng Doppler, khiến bước sóng của ánh sáng bị dịch chuyển về phía đỏ. Khi những tia này tới Trái Đất, chúng đã trở thành tia hồng ngoại, vi sóng hoặc sóng vô tuyến mà mắt thường của chúng ta không thể nhìn thấy được.

Hơn nữa, tốc độ hồi quy có thể tăng lên vô thời hạn. Khi một ngôi sao đạt đến một khoảng cách nhất định so với chúng ta, tốc độ lùi xa của nó có thể vượt quá tốc độ ánh sáng. Trong trường hợp này, ánh sáng từ ngôi sao sẽ di chuyển ra xa chúng ta với tốc độ nhanh hơn tốc độ ánh sáng và không bao giờ tới được Trái Đất. 

Vì vậy, mặc dù vũ trụ là vô hạn và đồng nhất nhưng thời gian tồn tại của vũ trụ không phải là vô hạn, cùng với sự giãn nở của vũ trụ, ánh sáng mà Trái Đất nhận được từ các ngôi sao ở xa là rất hạn chế và tổng cường độ ánh sáng của nó là không đủ để thắp sáng bầu trời đêm của Trái Đất. 

Vì điều này, bầu trời đêm mà chúng ta nhìn thấy rất tối. Đây tưởng chừng như là một hiện tượng bình thường nhưng thực chất lại ẩn chứa một sự thật tuyệt vọng: Do vũ trụ không ngừng giãn nở nên khoảng cách giữa các vật thể trong vũ trụ không ngừng tăng lên. Khi một ngôi sao đến một khoảng cách nhất định với chúng ta, ánh sáng mà nó phát ra sẽ di chuyển ra xa chúng ta với tốc độ siêu ánh sáng do sự giãn nở của vũ trụ, do đó những ánh sáng này sẽ không bao giờ chạm tới Trái Đất.

Điều tuyệt vọng hơn nữa là sự giãn nở của vũ trụ vẫn tiếp tục, điều này sẽ khiến nhiều thiên thể rời đi trong tương lai và mất liên lạc với chúng ta mãi mãi. Nói cách khác, khi thời gian trôi qua, sẽ ngày càng có ít thiên thể mà con người chúng ta có thể quan sát được trong vũ trụ. 

Theo dự đoán của các nhà khoa học, khi tình trạng này phát triển đến mức cực đoan, ngoại trừ các thiên thể trong nhóm thiên hà địa phương có thể được duy trì cùng nhau bằng trọng lực, các thiên thể khác ở xa hơn sẽ hoàn toàn mất liên lạc với chúng ta. 

Tham khảo: Zhihu