Trước đây, người ta tin rằng Vũ trụ hoặc là vô hạn về kích cỡ và tuổi, hoặc nó là hữu hạn và thời gian là một tính chất không tồn tại cho đến lúc khai sinh ra Vũ trụ, từ đó kết luận rằng bất kì sự kiện nào xảy ra trước thời điểm này không có ảnh hưởng gì với cái diễn ra hiện nay. Khi đa số mọi người tin vào một vũ trụ về cơ bản tĩnh tại và bất biến, thì câu hỏi nó có một sự khởi đầu hay không thật sự là một trong những câu hỏi siêu hình học hay thần học. Với những khả năng công nghệ hạn chế của chúng ta trước đây, người ta có thể giải thích cho cái quan sát thấy trên lí thuyết là vũ trụ đã tồn tại mãi mãi hoặc nó đã được đưa vào chuyển động tại một thời điểm hữu hạn nào đó theo kiểu sao cho trông như thể nó tồn tại mãi mãi.
Vũ trụ là vô hạn hay hữu hạn?
Ngày nay chúng ta biết rằng Vũ trụ vô cùng sinh động và câu chuyện hữu hạn hay vô hạn phức tạp hơn cái trước đây chúng ta từng tưởng tượng nhiều lắm. Trong một Vũ trụ vô hạn và tĩnh tại, sự giãn nở mà ta quan sát thấy của Vũ trụ do năng lượng tối gây ra là vô nghĩa. Đây là cái khiến Issac Newton gặp rắc rối khi ông nghiên cứu các ngôi sao. Dự đoán của ông là vật chất bị hút về phía vật chất khác bởi một lực là mạnh hơn khi các vật có khối lượng càng lớn và khi chúng càng ở gần nhau. Trong lí thuyết hấp dẫn của ông, các ngôi sao sẽ bị bút về phía nhau theo kiểu giống như nam châm vậy. Nhưng, những ngôi sao có thể quan sát thấy ở xa vẫn ở một vị trí cố định dường như không hề chuyển động trước tầm nhìn của chúng ta. Thêm nữa, nếu các ngôi sao và vật chất thật sự hút lấy nhau, thì phải chăng cuối cùng chúng sẽ rơi vào nhau? Câu hỏi này khiến Newton nhức đầu, nhưng thay vì cải tiến lí thuyết của mình, ông lại cho rằng Vũ trụ là vô hạn và có vô số ngôi sao được phân bố đồng đều trong khắp Vũ trụ. Các ngôi sao sẽ không rơi vào nhau nếu như không có một điểm trung tâm vũ trụ để chúng rơi vào. Trong một vũ trụ vô hạn, mỗi điểm đều có thể xem là trung tâm của Vũ trụ, bởi vì mỗi điểm sẽ có vô số ngôi sao ở mỗi phía của nó. Cách tiếp cận đúng là xét tình huống hữu hạn, trong đó tất cả các ngôi sao đều rơi vào nhau, và rồi hỏi xem mọi thứ sẽ thay đổi như thế nào nếu bạn có thể phân bố thêm các ngôi sao đồng đều bên ngoài vùng này. Theo định luật Newton, các ngôi sao thêm vào sẽ không gây ra sự khác biệt nào cho vùng ban đầu, tính theo trung bình, cho nên các ngôi sao sẽ rơi vào nhau nhanh hơn. Chúng ta có thể thêm vào bao nhiêu ngôi sao tùy thích, nhưng chúng vẫn sẽ luôn luôn đổ lên nhau vào bên trong bất chấp kích cỡ của Vũ trụ. Ngày nay chúng ta biết rằng không thể có một mô hình tĩnh vô hạn của vũ trụ trong đó lực hấp dẫn luôn luôn hút lấy vật chất có khối lượng.
Một nhà triết học người Đức tên là Heinrich Olbers cho rằng một Vũ trụ tĩnh vô hạn sẽ mang đến hầu như mỗi hướng nhìn kết thúc trên bề mặt của một ngôi sao. Cách duy nhất để tránh kết luận rằng toàn bộ bầu trời đêm sẽ sáng như bề mặt Mặt trời sẽ là giả sử rằng các ngôi sao không tỏa sáng mãi mãi, mà chỉ mới tỏa sáng ở một thời điểm hữu hạn nào đó trong quá khứ xa xôi. Trong trường hợp đó, ánh sáng từ những ngôi sao ở xa có thể chưa đi tới chúng ta. Câu hỏi Vũ trụ ra đời từ đâu đã xưa cũ như lịch sử nhân loại vậy, nhưng mãi đến khi Edwin Hubble quan sát thấy những thiên hà ở xa đang di chuyển nhanh ra xa chúng ta và ra xa nhau thì vấn đề sự ra đời của Vũ trụ mới có ý nghĩa khoa học thực sự.
Những quan sát của Hubble cho thấy có một thời điểm khi đó vũ trụ nhỏ vô hạn và đặc vô hạn. Dưới những điều kiện đó, tất cả các định luật khoa học, và do đó mọi khả năng dự báo tương lai, sẽ bị phá vỡ giống như kiểu không gian/thời gian bị phá vỡ tại chân trời sự kiện của một lỗ đen siêu khối. Nếu có những sự kiện sớm hơn thời điểm này, tức trước khi Vũ trụ tồn tại như chúng ta biết ngày nay, thì chúng không thể ảnh hưởng đến cái xảy ra hiện tại trong trạng thái hiện nay của Vũ trụ. Sự tồn tại của chúng có thể bỏ qua được bởi vì sẽ không có những hệ quả có thể quan sát được. Người ta có thể nói rằng thời gian đã ra đời lúc Big Bang, theo nghĩa là những thời điểm trước đó đơn giản là không có ý nghĩa. Trong một vũ trụ bất biến, một sự bắt đầu trong thời gian là cái phải có một nguyên nhân nào đó từ bên ngoài vũ trụ; và không hề có nhu cầu thực tế cho một sự bắt đầu.
Vậy phải chăng vũ trụ là hữu hạn? Đó vẫn là đề tài gây tranh cãi mạnh mẽ trong cộng đồng thiên văn và thiên văn vật lí học. Có lẽ chúng ta sẽ xem lại các lí thuyết của mình về vấn đề đó nếu những nỗ lực của chúng ta không thành công trong việc đi tìm vật chất tối và năng lượng tối, cái người ta cho rằng là lực chi phối sự giãn nở của Vũ trụ.
Theo Jaime Trosper (MyScienceAcademy)
Trần Nghiêm dịch
