Khi đó Vũ trụ có hình dạng ra sao?
Cho đến đây, tôi đã cung cấp cho bạn một quan niệm về những hình dạng khác nhau mà Vũ trụ của chúng ta có thể có (và có lẽ còn đau đầu nữa), tôi sẽ đánh giá ngắn gọn một số khám phá và ý tưởng trong thời gian gần đây trong vũ trụ học và cái chúng cho chúng ta biết về Vũ trụ. Xét cho cùng, nếu Vũ trụ một ngày nào đó sẽ co trở lại trong một Vụ co Lớn, thì tôi nghĩ mọi người phải có quyền được biết. Không phải là vô số năm nữa đâu, nhưng một số người có thể sẽ ngủ ngon giấc hơn nếu như họ được nghe kể.
Như tôi đã đề cập, Vũ trụ là mở, đóng hay phẳng là tùy thuộc vào nó chứa bao nhiêu vật chất. Tuy nhiên, vấn đề này có chút khó khăn nếu Vũ trụ là vô hạn về kích cỡ, vì khi đó nó cũng sẽ chứa một lượng vô hạn vật chất, cho dù nó phân tán mỏng như thế nào chăng nữa! Nguyên nhân là vì nguyên lí vũ trụ học phát biểu rằng mọi bộ phận của Vũ trụ phải trông y hệt nhau và vì thế mật độ vật chất là gần như đồng đều ở quy mô lớn nhất. Điều này tựa như việc nói rằng mặc dù chỉ có một trong mỗi một nghìn phòng của Khách sạn Vô hạn là có khách, nhưng vẫn có một số vô hạn người khách. Cho nên, thay vậy, các nhà vật lí nói về mật độ vật chất. Đây là lượng vật chất tính trên đơn vị thể tích không gian và sẽ là một con số nhận thức được mặc dù thể tích tổng là vô hạn.
Nếu như Vũ trụ có một mật độ vật chất lớn hơn một lượng tới hạn nhất định thì lực hấp dẫn của toàn bộ vật chất này kết hợp lại sẽ có thể làm ngừng sự giãn nở và làm cho nó co trở lại. Mặt khác, nếu như mật độ vật chất nhỏ hơn lượng tới hạn này thì lực hấp dẫn chỉ có thể làm chậm sự giãn nở đến một tốc độ không đổi chứ không bao giờ dừng hẳn. Vũ trụ sẽ chịu sự giãn nở mãi mãi. Thật lạ làm sao, nhiều nhà vũ trụ học có lí do hợp lí để tin rằng mật độ vật chất sẽ đâu đó chính xác tại giá trị tới hạn: cân bằng trên một lưỡi dao giữa một vũ trụ một ngày nào đó sẽ co lại và một vũ trụ sẽ giãn nở đều mãi mãi. Thay vậy, mật độ vật chất sẽ phải sao cho lực hấp dẫn của nó đều đều làm chậm tốc độ giãn nở xuống cho đến cuối cùng thì nó ngừng giãn nở. Tuy nhiên, sẽ mất thời gian mãi mãi cho sự dừng lại này xảy ra, cho nên sẽ không có sự co lại. Điều này ứng với một vũ trụ phẳng, không mở cũng không đóng. Vậy làm thế nào các nhà vũ trụ học tin rằng một kịch bản không có khả năng như vậy là có thể và tại sao họ muốn nó là có thể?
Thật ra thì, trong chừng mực các kính thiên văn của chúng ta có thể nhìn thấy, Vũ trụ trông phẳng tuyệt đối. Nó không biểu hiện độ cong dương hay âm gì hết. Đây là một chút khó khăn đối với các nhà vũ trụ học vì thật khó mà tin rằng sẽ có mật độ vật chất vừa đủ để vũ trụ là phẳng. Nếu đúng như vậy thì lực hấp dẫn sẽ luôn luôn tác dụng kìm hãm lên sự giãn nở, liên tục làm cho nó chậm lại. Trường hợp này khác với một vũ trụ mở độ cong âm (với mật độ dưới lượng tới hạn) vì trong trường hợp đó lực hấp dẫn sẽ chỉ làm cho sự giãn nở chậm đi đến một tốc độ không đổi nào đó rồi giữ nguyên như thế mãi mãi.
Hình 3.2 Không gian 2D cong dương (a) và âm (b)
Đa số các nhà vũ trụ học tin rằng bài toán tính phẳng nay đã được giải do cái gọi là sự lạm phát. Lời giải thích đơn giản cho tính phẳng của không gian mà chúng ta quan sát thấy sẽ là Vũ trụ có lớn hơn nhiều so với chúng ta nghĩ hay không. Theo kiểu giống như vậy, chúng ta không quan sát thấy độ cong của Trái đất vì chúng ta chỉ nhìn thấy một phần nhỏ của mặt đất. Khúc mắc đối với lời giải thích này là Vũ trụ dường như không đủ tuổi để giãn nở đến một kích cỡ như vậy. Do đó, người ta cho rằng, khi Vũ trụ chỉ mới một phần nhỏ của một giây tuổi, nó đã trải qua một thời kì rất ngắn giãn nở nhanh trong đó nó lớn lên đến kích cỡ bằng một nghìn tỉ nghìn tỉ nghìn tỉ nghìn tỉ kích cỡ của nó trước đó. Con số này lớn không thể tin nổi và được viết là số 1 và 48 số 0! Như vậy, Vũ trụ có thể đã cuộn lại trước thời kì lạm phát. Sau đó, trong một khoảng thời gian ngắn hơn nhiều so với một cái chớp mắt, nó lớn lên đến một kích cỡ mà chúng ta sẽ không bao giờ có thể phát hiện ra bất kì sự cong nào, cho dù chúng ta nhìn xa bao nhiêu vào trong không gian. Do đó, mô hình lạm phát này của Vũ trụ đòi hỏi mật độ vật chất rất gần với giá trị tới hạn làm cho nó phẳng. Trong ngôn ngữ toán học, mật độ này được kí hiệu bằng chữ kí Hi Lạp viết hoa omega (viết là Ω). Nếu mật độ vật chất nằm ở giá trị tới hạn, tương ứng với không gian phẳng, chúng ta nói omega có giá trị bằng một. Nếu vũ trụ có độ cong dương và đóng kín thì omega lớn hơn một, và nếu nó có độ cong âm và mở thì omega nhỏ hơn một.
Chúng ta không chắc sự lạm phát nhanh này của Vũ trụ rất non trẻ có xảy ra hay không. Đa số nhà vũ trụ học tin rằng nó đã xảy ra, nhưng các luận cứ ủng hộ và phản bác nó là tinh vi và dựa trên một số vấn đề khác, một số trong đó cho đến nay vẫn chưa được giải.
Vậy có thể đo mật độ vật chất trong Vũ trụ một cách trực tiếp hay không? Các nhà vũ trụ học tin là có thể. Họ dựa trên nguyên lí vũ trụ học, nếu bạn còn nhớ, phát biểu rằng Vũ trụ trông như nhau ở mọi nơi. Nói cách khác, mật độ vật chất ở mọi nơi là giống như ở góc nhỏ Vũ trụ của chúng ta. Tất nhiên, ‘góc nhỏ’ mà tôi muốn nói là phần Vũ trụ mà chúng ta có thể nhìn thấy. Vậy thì họ thật sự nhìn thấy cái gì? Hóa ra mật độ vật chất nhìn thấy đối với chúng ta (đó là số thiên hà trong một thể tích không gian cho trước) bằng khoảng 1% giá trị tới hạn cần thiết cho một vũ trụ phẳng. Ôi, ôi, thế là chúng ta lại gặp rắc rối! Vậy thì 99% kia nằm ở đâu rồi?
Lỗ đen, lỗ sâu đục và cỗ máy thời gian
Jim Al-Khalili
Bản dịch của Thuvienvatly.com
