Không gian đang giãn ra
Chúng ta hãy xét kĩ hơn xem khám phá của Hubble có ý nghĩa gì. Làm thế nào tất cả các thiên hà đều có thể đang lùi ra xa khỏi thiên hà của chúng ta? Chắc chắn điều này có nghĩa là chúng ta phải chiếm ngự một nơi ưu tiên trong Vũ trụ. Chúng ta phải đang ngồi chính xác tại tâm của nó. Nếu như các thiên hà ở mọi phía của chúng ta, và cho dù đang cách chúng ta một khoảng bằng nhau tùy ý, đang chuyển động ra xa ở tốc độ như nhau, thì chúng ta có thể kết luận rằng chúng ta không chuyển động gì hết. Cứ như là toàn bộ vật chất trong Vũ trụ có gốc gác từ góc khuất nhỏ bé của chúng ta vậy.
Có lẽ chúng ta đang ở nơi độc đáo, duy nhất có sự sống trong Vũ trụ, mặc dù điều này trông không có khả năng lắm biết rằng kích cỡ khổng lồ của Vũ trụ. Nhưng chúng ta hầu như chẳng có lí do gì để tin rằng chúng ta đang chiếm ngự một vị trí ưu tiên trong Vũ trụ. Thật ra, một nguyên lí quan trọng trong vũ trụ học, gọi là nguyên lí vũ trụ học, phát biểu rằng không có nơi ưu tiên nào trong Vũ trụ cả. Như vậy, trên quy mô rất lớn, Vũ trụ trông giống nhau ở mọi nơi. Vậy làm thế nào mọi thứ dường như đang chuyển động ra xa chúng ta?
Hình 3.1 Mô hình tấm cao su của không gian đang giãn nở. Hãy tưởng tượng những thiên hà 2D phân bố đều nhau trên một mạng lưới. Khi tấm cao su giãn ra, mỗi thiên hà đều sẽ thấy những thiên hà xung quanh đang chuyển động ra xa nó.
Câu trả lời thật hết sức đơn giản. Không phải các thiên hà đang bay trong không gian ra xa thiên hà của chúng ta, mà là vì không gian ở giữa đang giãn ra. Hãy tưởng tượng một tấm cao su lớn trên đó bạn đặt những vật làm mốc trên những nút lưới vuông sao cho chúng cách đều lẫn nhau (hình 3.1). Nếu tấm cao su bị căng giãn đồng đều theo mọi hướng, thì khoảng cách giữa hai vật mốc bất kì sẽ tăng lên. Mỗi vật mốc sẽ thấy tất cả những vật mốc xung quanh đang chuyển động ra xa nó và không có vật mốc nào ở vị trí đặc biệt hơn vật mốc nào. Tất nhiên, tôi đang giả sử tấm cao su đó là rất lớn, nếu không chúng ta sẽ phải quan tâm đến những vật mốc nằm ở gần rìa ngoài rìa.
Khi tôi giảng dạy chủ đề này, tôi hầu như luôn luôn bắt gặp câu hỏi sau đây từ phía khán giả: nếu không gian đang giãn ra và vạn vật nhúng chìm trong không gian thì chắc chắn vạn vật cũng đang giãn ra theo, kể cả chúng ta và toàn bộ thiết bị đo của chúng ta trên Trái đất. Nếu khoảng cách giữa thiên hà của chúng ta và một thiên hà khác tăng lên gấp đôi trong một khoảng thời gian nhất định thì chắc chắn khoảng cách giữa tất cả các nguyên tử trong cơ thể của chúng ta, các băng đo và thước đo cũng sẽ tăng lên gấp đôi. Vậy thì làm thế nào chúng ta “quan sát” sự giãn nở đó?
Một khi họ nêu ra câu hỏi này, họ thường có xu hướng xoay chuyển phần thắng về cho phần khán giả còn lại như thể đang nói “đấy, để xem ông ta có trả lời nổi hay không!”
Tuy nhiên, câu trả lời đơn giản đến bất ngờ. Hãy nhớ rằng lực hấp dẫn tác dụng làm chậm sự giãn nở của không gian, và nếu lực hấp dẫn đủ mạnh, nó sẽ hoàn toàn chiến thắng sự giãn nở. Ở cấp bậc toàn Vũ trụ, tốc độ giãn nở là cao và mật độ vật chất rất thấp. Nhưng ở cấp bậc Thiên hà của chúng ta, không gian bên trong nó sẽ không bị ảnh hưởng vì lực hấp dẫn đủ mạnh ở cấp bậc này nên không cho phép bất kì sự giãn nở nào. Đến cấp bậc con người và những dụng cụ đo của chúng ta, vật chất gói ghém sít sao và các nguyên tử cấu tạo nên mọi thứ được giữ lại với nhau bởi một lực mạnh hơn nhiều so với lực hấp dẫn. Nó được gọi là lực điện từ và là hồ dán kết nối các nguyên tử lại với nhau. Không gian nhất định không được phép giãn nở ở cấp bậc này và vì thế chúng ta, và mọi thứ khác trên Trái đất, vẫn giữ kích cỡ như cũ.
Đây là một ví dụ thường nhật thuộc loại này (làm ơn bỏ qua đoạn này nếu bạn đã bị thuyết phục bởi đoạn trước). Xét những cái bọt khí dâng lên từ đáy của một bể nuôi cá. Những cái bọt này thoạt đầu nhỏ vì áp suất của nước dưới đáy bể là lớn và làm nén không khí bên trong bọt. Khi cái bọt nổi lên, áp suất giảm và cái bọt giãn ra do lực đẩy ra phía ngoài của các phân tử không khí bên trong nó. Vì số phân tử không khí bên trong mỗi cái bọt không thay đổi, nên chúng phải ở xa nhau hơn khi cái bọt lớn lên. Tuy nhiên, và đây là điểm nhấn quan trọng, chúng ta sẽ không trông chờ mỗi phân tử không khí tăng kích cỡ cùng với cái bọt.
Một chi tiết thú vị là thiên hà ở gần chúng ta nhất, Andromeda (Tiên Nữ, hay M31), thật ra đang chuyển động về phía chúng ta! Andromeda ở xa hai triệu năm ánh sáng và, theo những ước tính hiện nay của tốc độ giãn nở của Vũ trụ, sẽ chuyển động ra xa chúng ta ở tốc độ 50 km/s. Thay vậy, nó lại đang chuyển động về phía chúng ta với tốc độ 300 km/s! Vì thế, sự giãn nở của Vũ trụ không biểu hiện ở cấp bậc nhóm thiên hà địa phương của chúng ta, chứ chưa nói riêng trên Trái đất.
Dừng lại một chút, bạn có thể nghĩ, rốt cuộc có phải Hubble đã sai rồi hay không? Tôi nghĩ ông đã quan sát thấy tất cả các thiên hà đang chuyển động ra xa chúng ta? Câu trả lời là các thiên hà không phân bố đều với khoảng cách như nhau trong toàn Vũ trụ. Hubble đã quan sát những thiên hà ở rất xa, chúng đang chuyển động ra xa chúng ta, chứ không phải những thiên hà láng giềng.
Tốc độ mà Thiên hà của chúng ta và Andromeda đang tiến về phía nhau là tương đương với đi một quãng đường vòng quanh thế giới trong hai phút, hay đi quãng đường từ Trái đất đến Mặt trời trong chưa tới một tuần. Nhưng trước khi Holywood khởi quay bộ phim bom tấn tiếp theo của mình nói về những con người gan dạ đã cứu sống Trái đất khỏi vụ va chạm sắp xảy ra với Andromeda, tôi muốn nói rằng, ở tốc độ hiện nay, phải mất thêm vài tỉ năm nữa thì hai thiên hà mới hợp nhất. Ngay cả khi xảy ra va chạm như vậy, thì rất không có khả năng sẽ có cái gì đó va vào Trái đất vì, như chúng ta đã thấy, các ngôi sao ở khá xa nhau và cơ hội để một ngôi sao lao qua hệ mặt trời là xa vời. Các nhà vật lí đã có thể xây dựng những mô phỏng máy tính phức tạp thể hiện động lực học hai thiên hà hành xử như thế nào khi chúng hợp nhất với nhau.
Vậy còn lực phản hấp dẫn của Einstein, hằng số vũ trụ học có mặt trong những phương trình của ông để ngăn Vũ trụ co lại dưới sức nặng riêng của nó thì sao? Những khám phá của Firedmann và Hubble có tống khứ nó vào mớ rác khoa học hay không?
Khi lĩnh vực vũ trụ học đã phát triển và trưởng thành trong thế kỉ 20, hằng số vũ trụ học tỏ ra khá bền bỉ và mau hồi phục. Thật vậy, nó ra đi rồi trở lại còn nhanh hơn cả dân buôn hội chợ nữa. Đã có thời, các nhà vũ trụ học xác định nó không bị và không nên bị loại bỏ hoàn toàn trong các phương trình Einstein. Có lẽ nên giữ nó lại nhưng cho nó một giá trị rất nhỏ để không mâu thuẫn với các quan sát của Hubble. Hãy nhớ rằng ở đây tôi đang nói về một mô hình toán học trừu tượng của Vũ trụ dự đoán khi nào thì những phương trình Einstein được giải. Bằng cách thay đổi giá trị của hằng số vũ trụ học, các nhà vũ trụ học khi đó có thể nghiên cứu tính chất của những vũ trụ mô hình khác nhau đã được dự đoán. Khi đó, người ta có thể so sánh những tính chất này với những tính chất quan sát thấy trong Vũ trụ thực.
Những giới hạn trên đã được tính ra và hóa ra chúng nhỏ đến mức đa số các nhà vũ trụ học cảm thấy rằng việc loại nó ra khỏi các phương trình, như Einstein đã làm, cũng là hợp lí. Những lí do khác muốn có một hằng số vũ trụ học cũng đã đến rồi đi. Nhưng ngày nay, chúng ta có lí do hợp lí để tin rằng nó khác không. Suy nghĩ hiện nay là Einstein chẳng hề sai lầm khi ông đưa nó vào những phương trình của mình. Trước tiên, chúng ta hãy xét kĩ hơn bằng chứng cho Big Bang. Sau cùng, nếu Vũ trụ ngày một to ra thì phải có một thời khắc ra đời rạch ròi khi lần đầu tiên nó bắt đầu giãn nở.
Lỗ đen, lỗ sâu đục và cỗ máy thời gian
Jim Al-Khalili
Bản dịch của Thuvienvatly.com
