Ranh giới của không gian
Xét hai câu hỏi sau đây:
- Nếu Vũ trụ đang nở ra đồng thời chứa toàn bộ không gian, thì nó giãn ra thành cái gì?
- Cái gì nằm bên ngoài ranh giới của Vũ trụ?
Chúng ta cảm thấy phải có cái gì đó nằm ngoài Vũ trụ của chúng ta có thể chứa nó khi nó nở ra. Cho dù tin hay không tin thì những câu hỏi này không hề mang tính triết lí hay siêu hình học thuần túy. Khoa học có một câu trả lời cho cả hai. Chỉ là chúng ta không suy nghĩ đúng cách thôi. Đây là chỗ toàn bộ nội dung hình học cao nhiều ở Chương 1 phát huy tác dụng. Một cách chất phác, chúng ta nghĩ Big Bang là một vụ nổ nào đó đã xảy ra vào lúc nào đó trong thời gian tại một điểm nhất định trong không gian ba chiều. Từ điểm này, toàn bộ vật chất bị ném tung ra và bay ra xa nhau kể từ đó. Sai rồi bạn ơi!
Trước hết, chúng ta đã biết rằng Big Bang không giống như một vụ nổ sao siêu mới với toàn bộ vật chất bay ra xa nhau từ một điểm ở chính giữa. Sự giãn nở của Vũ trụ là sự căng ra của bản thân không gian, với vật chất dìm bên trong không gian và đồng hành cùng với nó. Thứ hai, không có điểm nào trong Vũ trụ là nơi các nhà du hành vũ trụ có thể đi tới, cắm cờ rồi phát biểu rằng: “Big Bang đã xảy ra ở đây”. Hãy nhớ lại thí dụ tấm cao su kéo căng. Big Bang xảy ra tại mỗi nơi trên tấm đó cùng một lúc, và sự giãn nở xảy ra trên toàn bộ tấm đó.
Tôi nghĩ bạn sẽ chưa hài lòng ở đây. Tôi sẽ trình bày thêm vài trang nữa. Tôi biết tôi còn chưa trả lời hai câu hỏi ở trên. Hãy cố gắng và trực tiếp đương đầu với chúng. Hãy tưởng tượng bạn có thể bay ra ngoài không gian trong một tên lửa ở một tốc độ rất cao và đi theo một đường thẳng – đồng thời cũng giả sử bạn là bất tử và tên lửa có nguồn cấp nhiên liệu vô hạn. Có bao giờ bạn đi tới một điểm mà vượt ngoài đó bạn không thể đi hay không? Có ranh giới nào mà ngoài đó hoàn toàn không có gì nữa hay không?
Theo mô hình Vũ trụ Friedmann dựa trên thuyết tương đối tổng quát Einstein (cái chúng ta tin là mô tả chính xác những đặc điểm khái quát của Vũ trụ), câu trả lời là không, Vũ trụ không có biên. Không có ranh giới vật lí nào mà tên lửa của bạn cuối cùng đi tới khi nó chạy ra hết không gian. Bạn sẽ không bao giờ đi tới một điểm mà ngoài đó không có gì cả. Nếu vực thẳm này có thể định nghĩa là không gian, thì nó vẫn là một phần thuộc Vũ trụ, cho dù nó có chứa hay không chứa vật chất. Vì thế có lẽ tên lửa của bạn sẽ tiếp tục đi mãi, và bạn sẽ không rời khỏi Vũ trụ đâu, bạn chỉ đi vào một vùng trống rỗng của nó mà thôi.
Thật ra, Friedmann đã tìm thấy hai loại vũ trụ khả dĩ khác nhau. Nếu có đủ vật chất cho lực hấp dẫn một ngày nào đó làm dừng sự giãn nở và làm cho Vũ trụ co trở lại (tương ứng với quả cầu lăn xuống một dốc nghiêng) thì chúng ta sẽ có cái gọi là vũ trụ đóng. Mặt khác, nếu không có đủ vật chất để làm ngừng sự giãn nở thì chúng ta sẽ sống trong một vũ trụ mở3.
3Chính xác hơn, ông đã dự đoán ba loại vũ trụ vì một vũ trụ “phẳng” sẽ nằm lưng chừng giữa mở và đóng.
Đây là chỗ tôi phải thận trọng. Mô hình của Friedmann có một giả thiết quan trọng: hằng số vũ trụ học của Einstein bằng không. Điều này có nghĩa là không có lực phản hấp dẫn tác dụng tại thời khắc đó để làm cho mọi thứ phức tạp lên, mặc dù nó là nguyên nhân gây ra sự giãn nở lúc ban đầu. Vì thế, phần trình bày sau đây được đơn giản hóa4 cho trường hợp không có hằng số vũ trụ học.
4Vâng, bằng cách “đơn giản hóa”, tôi muốn so sánh với Vũ trụ thực sự có khả năng trông ra sao!
Lỗ đen, lỗ sâu đục và cỗ máy thời gian
Jim Al-Khalili
Bản dịch của Thuvienvatly.com
