Lỗ đen, lỗ sâu đục và cỗ máy thời gian (Phần 26)

Vũ trụ có vô hạn không?

Đây là một đề tài vui vẻ nữa mà bạn có thể trao đổi với gia đình và bạn bè mình thay cho bóng đá⁸. Hóa ra nếu tỉ trọng chung của Vũ trụ, do toàn bộ vật chất nhìn thấy và vật chất cùng năng lượng không nhìn thấy gây ra, vẫn không đủ để làm cho nó đóng kín, thì lẽ phải sáng suốt là nên cho rằng nó phải là vô hạn (để tránh có một ranh giới mà bạn có thể rơi ra ngoài). Tất nhiên, có thể cái xuất hiện trước chúng ta là một vũ trụ phẳng vô hạn có thể vẫn đóng kín và quá lớn cho bất kì sự cong nào có thể bị phát hiện ra. Trong một vũ trụ như vậy, giá trị của omega sẽ rất gần với một.

Đa số mọi người, kể cả các nhà vũ trụ học, sẽ không phải xử lí gì nhiều với một vũ trụ vô hạn. Trong vài năm trở lại đây, một lĩnh vực nghiên cứu mới gọi là tô pô học vũ trụ đã xuất hiện, đó là ngành nghiên cứu hình dạng của Vũ trụ. Một kết quả nghiên cứu trong lĩnh vực này mà tôi đã không nhận ra mãi cho đến gần đây là ngay cả một vũ trụ mở, dù là phẳng hay hyperboloid, cũng có thể có một kích cỡ hữu hạn. Thật vậy, và đây là chỗ thú vị, cho dù Vũ trụ là phẳng, hóa ra nó phải có hình dạng giống như tương đương cao chiều hơn của một cái bánh rán (những cái bánh có cái lỗ ở chính giữa). Tôi biết bạn đang nghĩ rằng bề mặt của một cái bánh rán khó mà phẳng nổi. Nhưng đó là vì nó chỉ là một sự gần đúng với hình dạng mà tôi đang nói. Trước hết, bề mặt của một cái bánh rán chỉ là hai chiều. Thứ hai, ngay cả tương đương 2D của không gian mà tôi đang nói tới cũng không thể tồn tại dìm trong không gian 3D của chúng ta. Tên gọi chính xác cho một hình dạng như thế là đế Euclid, và nó có tính chất, giống như bề mặt của một cái bánh rán, là có nhiều hơn một đường nối hai điểm bất kì trên nó.

Tất nhiên, nếu Vũ trụ thật sự có hình bánh rán thì phần khối lượng còn thiếu có khả năng là đường hoặc hương quế.

Tại sao ban đêm trời tối?

Có thể bạn nghĩ đây là một câu hỏi tầm thường, thậm chí ngớ ngẩn. Nói chung, ngay cả một đứa trẻ cũng “biết” đây là vì Mặt trời lặn bên dưới đường chân trời, và không có cái gì khác ở trên bầu trời sáng gần như Mặt trời, nên chúng ta chỉ nhận được ánh sáng phản xạ yếu ớt từ Mặt trăng và ánh sáng còn mờ nhạt hơn nữa từ những ngôi sao ở xa. Vâng, vậy tại sao lại nêu câu hỏi trên? Vấn đề là nó không đơn giản như thế!

Chúng ta có lí do hợp lí để mà tin rằng cho dù Vũ trụ không vô hạn về kích cỡ thì nó có khả năng mênh mông đến mức vô hạn, trong mọi mục đích và ý nghĩa. Nếu vậy thì chúng ta đi đến cái gọi là nghịch lí Olbers. Nói đơn giản, nghịch lí này phát biểu rằng bầu trời đêm không thể tối đen như mực được. Nó phải sáng hơn cả ban ngày nữa. Thật vậy, bầu trời đêm sẽ sáng rỡ, mọi lúc mọi nơi, cho dù Mặt trời có ở trên bầu trời hay không.

Hãy tưởng tượng ban đang đứng giữa một cánh rừng rất lớn. Lớn đến mức thực tế bạn có thể xem nó là vô hạn về quy mô. Giờ hãy thử bắn một mũi tên theo một hướng (ngang) nào đó sao cho nó không chạm trúng một thân cây nào. Trong tình huống lí tưởng hóa này, mũi tên phải được phép bay đi theo đường thẳng mà không bị lao xuống đất. Tất nhiên, bạn sẽ thấy điều đó là không thể. Cho dù mũi tên có tránh được những cây ở gần, thì cuối cùng nó luôn chạm trúng một cây nào đó. Vì cánh rừng là vô hạn nên sẽ luôn luôn có một cái cây ở trên đường bay của mũi tên, cho dù cái cây đó ở xa bao nhiêu không quan trọng. Cho dù cánh từng dày thưa thế nào cũng vậy. Nếu bạn đốn hạ 90% số cây trong rừng, thì điều này chỉ có nghĩa đơn giản là, tính trung bình, mũi tên sẽ phải bay xa gấp 10 lần trước khi nó chạm trúng một thân cây.

Giờ hãy xét một vũ trụ mô hình đơn giản, rộng vô hạn, tĩnh (không giãn nở) và có các ngôi sao phân bố đều. Ánh sáng từ các ngôi sao đi tới chúng ta giống như ví dụ cái mũi tên ở trên. Cho dù chúng ta nhìn vào chỗ nào trên bầu trời, nếu Vũ trụ là vô hạn thì chúng ta luôn luôn nhìn thấy một ngôi sao trên đường ngắm của mình. Cho nên sẽ không có bất kì khoảng trống nào trên trời mà chúng ta không nhìn thấy ngôi sao nào và toàn bộ bầu trời phải sáng rỡ như bề mặt Mặt trời, suốt cả mọi lúc!

Vũ trụ thực tế cũng có khả năng là vô hạn, nhưng ở những phương diện khác, nó không giống mô hình đơn giản trên cho lắm. Trước tiên, các ngôi sao không phân bố đều mà co cụm lại thành các thiên hà. Điều này không thành vấn đề. Nó chỉ có nghĩa là bầu trời đêm sẽ sáng như một thiên hà trung bình, nó không sáng như bề mặt của một ngôi sao trung bình nhưng vẫn mờ. Thứ hai, Vũ trụ của chúng ta đang giãn nở. Sự giãn nở này có mang lại khác biệt gì không? Các nhà vật lí đã tiến hành những tính toán chi tiết sự giãn nở này không giải được nghịch lí trên, nó chỉ làm thu hẹp vấn đề. Vậy thì đâu là câu trả lời?

Người ta nghĩ có lẽ không gian chứa đầy chất khí và bụi giữa các sao sẽ chặn mất ánh sáng đến từ những thiên hà ở xa. Nhưng nếu Vũ trụ đã tồn tại đủ lâu, thì cả phần vật chất này cũng từ từ nóng lên, do ánh sáng mà nó hấp thụ, và cuối cùng sẽ phát sáng ngang với những thiên hà mà nó che khuất.

Câu trả lời đích thực, lời giải đã đưa nghịch lí Olbers vào yên nghỉ, là Vũ trụ không phải vĩnh hằng, nên ánh sáng từ những thiên hà ở rất xa đơn giản là không có đủ thời gian để đi tới chúng ta. Nếu Big Bang xảy ra hồi 15 tỉ năm trước, thì những thiên hà ở xa hơn 15 tỉ năm ánh sáng (hãy nhớ rằng năm ánh sáng là quãng đường ánh sáng truyền đi trong một năm) là không thể nhìn thấy đối với chúng ta vì ánh sáng của chúng vẫn đang truyền đi và chưa đi tới chúng ta. Phải thừa nhận rằng vấn đề có hơi phức tạp đi một chút do sự giãn nở của Vũ trụ, nhưng cái chúng ta có thể nhìn thấy trên bầu trời chỉ là một phần nhỏ của Vũ trụ. Nó được gọi là Vũ trụ Nhìn thấy và chúng ta không thể, cho dù với những kính thiên văn mạnh nhất, nhìn thấy vượt ngoài một đường chân trời nhất định trong không gian. Như vậy, Vũ trụ Nhìn thấy (góc không gian nhỏ xíu của chúng ta) thật sự có một ranh giới, mặc dù Vũ trụ tổng thể thì không.

Cuối cùng, chúng ta có thể làm đảo ngược tình thế với nghịch lí Olbers và nói rằng bằng chứng thật sự cho thấy Big Bang từng xảy ra là khi ban đêm trời lại tối!