Lỗ đen, lỗ sâu đục và cỗ máy thời gian (Phần 17)

Hubble, bubble (bọt)…

ông là người đầu tiên nhận ra rằng có tồn tại những thiên hà khác, ngoài Dải Ngân hà ra. Cho đến thời kì ấy, người ta vẫn nghĩ rằng những vệt sáng nhỏ xíu có thể nhìn thấy qua kính thiên văn là những đám mây bụi, gọi là tinh vân, nằm bên trong thiên hà của chúng ta. Hubble nhận thấy chúng ở quá xa nên không thể là một bộ phận của Dải Ngân hà và do đó phải là những thiên hà tồn tại độc lập. Ông còn phát hiện thấy những thiên hà khác dường như đang bay ra xa thiên hà của chúng ta ở tốc độ tỉ lệ với khoảng cách từ chúng ta đến chúng. Một thiên hà càng ở xa chúng ta bao nhiêu, thì nó càng đang lùi ra xa chúng ta nhanh bấy nhiêu. Cái đáng chú ý là sự lùi ra này xảy ra với bất kì hướng nào mà ông nhắm ống kính thiên văn vào. Ông đã chứng minh trên thực nghiệm rằng mô hình Vũ trụ giãn nở của Friedmann là đúng.Einstein buộc phải thừa nhận rằng việc đưa hằng số vũ trụ học vào phương trình của ông là sai lầm lớn nhất trong sự nghiệp khoa học của ông.

Hubble lập luận một cách chính xác rằng, vì Vũ hiện đang giãn nở, nên trong quá khứ nó phải nhỏ hơn bây giờ. Hãy tưởng tượng sự giãn nở của Vũ trụ có thể quay phim lại từ một điểm nhìn nằm đâu đó ‘bên ngoài’ Vũ trụ - tất nhiên, điều này là không thể, vì toàn bộ không gian, theo định nghĩa, là nằm bên trong Vũ trụ. Khi cho phim chiếu ngược, bạn sẽ thấy Vũ trụ đang co lại. Nếu bạn nhìn ngược đủ xa về quá khứ, bạn sẽ đi tới một thời điểm khi mà tất cả thiên hà đều chồng lên nhau và vạn vật sẽ hết sức chen chúc. Tiếp tục lùi xa hơn nữa ngược dòng thời gian, toàn bộ vật chất sẽ càng lúc càng nén ép lại gần nhau hơn cho đến khi bạn đi tới thời điểm ra đời của Vũ trụ, Vụ nổ Lớn (Big Bang)².

Hubble thực hiện khám phá của ông bằng cách đo cái gọi là sự lệch đỏ vũ trụ học của ánh sáng. Để hiểu sự lệch này, ta hãy xét một hiện tượng quen thuộc hơn gọi là sự lệch Doppler, như có lẽ bạn đã biết, là sự thay đổi độ cao mà bạn nghe, nói ví dụ, khi một chiếc xe cứu thương đang chạy nhanh qua chỗ bạn. Nguyên nhân gây ra hiệu ứng này là sự thay đổi tần số của sóng âm từ xe cứu thương đi tới chỗ bạn khi nó ở trong hai tình huống: bạn về phía bạn, và chạy ra xa bạn. Khi nén tiến đến gần, sóng âm bị nén lại, gây ra tần số cao hơn (âm cao) nhưng khi nó lùi ra xa thì sóng âm bị kéo giãn ra, mang lại tần số thấp (âm thấp).

Hiện tượng tương tự xảy ra với ánh sáng. Khi một vật chuyển động ra xa chúng ta – ví dụ một thiên hà ở xa nào đó – thì sóng ánh sáng phát ra từ nó đi tới chúng ta bị kéo giãn và tần số ánh sáng giảm đi. Thay cho tần số ánh sáng, chúng ta thường quen nói tới bước sóng của nó. Có lẽ bạn còn nhớ đôi điều về bước sóng từ kiến thức vật lí ở trường phổ thông. Bạn biết những bể sóng, những lò xo dài kéo căng ngang lớp học. Thật là vui phải không nào! Dẫu sao, bước sóng là khoảng cách giữa hai đỉnh sóng liên tiếp nhau. Vì thế, sự giảm tần số của ánh sáng thật ra là do sự giãn của bước sóng.

Vì chúng ta chắc chắn rằng một thiên hà ở xa sẽ chứa những ngôi sao giống như những ngôi sao trong Thiên hà của chúng ta, và vì chúng ta biết bước sóng ánh sáng là bao nhiêu – các quá trình hạt nhân xảy ra bên trong các ngôi sao làm cho chúng tỏa sáng với những bước sóng nhất định – nên bằng cách sự thay đổi bước sóng của ánh sáng, ta có thể tính được thiên hà đó đang lùi ra xa chúng ta bao nhanh. Tất nhiên, các nhà thiên văn sẽ nhanh chóng chỉ rõ vấn đề không đơn giản như vậy, nhưng nguyên lí cơ bản như thế là đúng. Tôi sẽ trở lại với một số sự tinh vi của việc đo tốc độ giãn nở ở phần sau.

Hiệu ứng trên được gọi là sự lệch đỏ vì bước sóng bị kéo giãn khi thiên hà lùi ra xa, và bước sóng của ánh sáng nhìn thấy càng dài thì màu sắc càng đỏ. Tên gọi “sự lệch đỏ”, trong khi chỉ thật sự áp dụng cho ánh sáng nhìn thấy, tuy vậy, được sử dụng cho mọi loại bức xạ của phổ điện từ.

Trước tiên, chúng ta phải xét xem sự đỏ dần này của ánh sáng đến từ những thiên hà ở xa mà Hubble quan sát thấy có thể giải thích theo một cách khác hay không. Nhất định các nhà thiên văn đã thử rồi vì ban đầu họ không muốn tin rằng Vũ trụ thật sự đang nở ra. Một cách dễ thấy để hiện tượng này có thể xảy ra là nếu ánh sáng bị mất năng lượng trên đường đi từ nguồn phát của nó đến kính thiên văn của chúng ta, vì sự giảm năng lượng sẽ làm cho bước sóng dài hơn. Phương án duy nhất để ánh sáng mất năng lượng là nếu nó phải chiến đấu với bụi và khí giữa các sao mà nó gặp phải trên hành trình dài xuyên qua không gian. Nhưng có một khó khăn tiền định đối với cách giải thích này. Ánh sáng mất năng lượng bởi sự phản xạ khỏi những nguyên tử vật chất trên đường đi của nó. Vì thế, nó có xu hướng chuyển động theo quỹ đạo zigzag và điều này sẽ làm cho ảnh của thiên hà trông nhòe đi. Vì người ta không quan sát thấy sự nhòe ảnh nào của các thiên hà nên cách giải thích này bị bác bỏ. Lời giải thích duy nhất cho sự lệch Doppler là do một vũ trụ đang nở ra. Một số nhà vật lí, trong đó có một vị đồng nghiệp đã từng dạy tôi thuyết tương đối lúc tôi còn là sinh viên, cho rằng sự lệch đỏ có thể được giải thích bằng cái gọi là sự lệch Doppler ngang. Đây là sự lệch Doppler quan sát thấy ở ánh sáng phát ra từ những vật thể đang chuyển động ở tốc độ cao trong tầm nhìn của chúng ta chứ không đi xa ra chúng ta. Lập luận này khá chính xác. Tuy nhiên, tôi sẽ trình bày rằng sự lệch đỏ không phải là bằng chứng duy nhất của sự giãn nở mà chúng ta có.

Lỗ đen, lỗ sâu đục và cỗ máy thời gian