Chuyện nghe khó tin quá. Bạn chắc chứ?
Thật là khùng điên khi nghe nói không gian là một thứ gì đó chứ không phải khoảng không thuần tuý, kinh nghiệm của chúng ta về vũ trụ bảo thế. Thế nhưng các quan sát thực nghiệm của chúng ta làm sáng tỏ rằng khoảng cách giữa các vật thể trong không gian không phải được đo trên một phông nền trừu tượng vô hình mà phụ thuộc vào các đặc tính của cục nhớt không gian trong đó tất cả chúng ta sinh sống, ăn bánh ngọt và xào rau mùi.
Nhưng khi bạn nghĩ không gian là một thứ động với các tính chất vật lí và hành trạng có thể giải thích được những hiện tượng kì lạ như uốn cong hay giãn nở không gian, thì nó lại đưa tới nhiều nghi vấn hơn nữa.
Chẳng hạn, bạn có thể tạm nói rằng cái chúng ta quen gọi là không gian bây giờ lẽ ra nên gọi là cục nhớt vật lí và cục nhớt này phải nằm trong cái gì đó chứ, thế cái đó ta có thể gọi là không gian nữa rồi. Lập luận khéo léo đấy, nhưng trong chừng mực mà chúng ta biết (và tính đến nay chẳng phải lâu lắc gì), cục nhớt ấy không nhất thiết phải nằm trong cái gì đó khác. Khi nó bẻ cong và uốn lượn, đây là sự uốn cong nội tại làm thay đổi mối liên hệ giữa các bộ phận của không gian, chứ không phải sự uốn éo của cục nhớt so với một gian chứa nào đó lớn hơn.
Nhưng nếu chỉ vì cục nhớt không gian của chúng ta không nhất thiết phải nằm trong cái gì đó khác thì không có nghĩa là nó không đang nằm trong một cái gì đó khác. Có lẽ cái chúng ta gọi là không gian thật ra đang nằm trong một “siêu không gian” nào đó lớn hơn. Và có lẽ siêu không gian ấy giống với một khoảng không vô hạn, nhưng chúng ta đâu có biết gì.
Liệu có khả năng có những bộ phận vũ trụ chẳng có không gian không? Nói cách khác, nếu không gian là một cục nhớt, thì liệu có khả năng không-có-cục-nhớt, hay cục nhớt vắng mặt không? Ý nghĩa của những khái niệm đó chẳng rõ ràng lắm, vì toàn bộ các định luật vật lí của chúng ta đều giả định sự tồn tại của không gian, vậy thì những định luật nào có thể hoạt động bên ngoài không gian? Chúng ta không biết.
Quả thật, nhận thức mới như thế này về không gian là thứ mới xuất hiện trong thời gian gần đây, và chúng ta vẫn còn trong giai đoạn rất sớm trong tiến trình nhận thức không gian là gì. Bằng nhiều cách, chúng ta hãy còn chập chững bởi những ý niệm trực giác của mình. Những ý niệm này đã phục vụ tốt cho chúng ta khi những con người xa xưa đi săn bắt vì niềm vui và tìm kiếm rau mùi làm thức ăn, nhưng chúng ta cần phá vỡ xiềng xích của những ý niệm này và nhận ra rằng không gian rất khác với cái mà chúng ta đã hình dung.
Nghĩ về không gian cong
Nếu đầu óc bạn vẫn chưa hề hấn gì sau những khái niệm bẻ cong không gian nhầy nhụa như thế này, thì đây là một bí ẩn khác về không gian: Không gian là phẳng hay cong (và nếu không gian là cong, thì nó cong theo kiểu nào)?
Đây là những câu hỏi rồ dại, nhưng chúng không phải khó nêu ra một khi bạn chấp nhận quan niệm không gian có tính dát mỏng được. Nếu không gian có thể bẻ cong xung quanh những vật thể có khối lượng, thì liệu có một độ cong tổng quát nào đó cho nó hay không? Ở đây tựa như nêu câu hỏi cục nhớt của chúng ta có phẳng không: Bạn biết rằng nó có thể lúc lắc và biến dạng nếu bạn đẩy vào bất kì điểm nào trên nó, nhưng nói chung nó có võng xuống luôn không? Hay nó cứ nằm thẳng băng thôi? Bạn cũng có thể nêu những câu hỏi như thế này về không gian.
Việc trả lời những câu hỏi như thế này về không gian có tác động rất lớn đối với quan niệm của chúng ta về vũ trụ. Chẳng hạn, nếu không gian là phẳng, thì nghĩa là nếu bạn du hành theo một chiều mãi mãi, bạn có thể cứ việc tiến lên mãi, có khả năng đến vô tận.
Nhưng nếu không gian là cong, thì những điều thú vị khác có thể xảy ra. Nếu không gian có độ cong tổng thể dương, thì việc tiến tới theo một chiều có thể khiến bạn đi lòng vòng và trở lại chỗ cũ từ hướng ngược lại! Đây là thông tin hữu ích nếu, chẳng hạn, bạn không thích chuyện ai đó lén lút phía sau bạn.
Việc lí giải khái niệm không gian cong là rất khó bởi lí do đơn giản là bộ não của chúng ta chưa được trang bị tốt để hình dung những khái niệm như thế này. Tại sao lại thế? Phần lớn kinh nghiệm hằng ngày của chúng ta (như lẩn tránh con thú săn mồi hay tìm kiếm chìa khoá bị đánh mất) thích nghi với một thế giới ba chiều trông có vẻ cố định (giá mà chúng ta từng bị tấn công bởi những giống loài thông minh hơn làm chủ được độ cong của không gian, thì chúng ta hi vọng chúng ta có thể hình dung ra nó thật nhanh).
Nói không gian có độ cong là hàm nghĩa gì? Một cách để hình dung nó là hãy tạm vờ như chúng ta sống trong một thế giới hai chiều, ví dụ như bị nhốt trên một tờ giấy. Điều đó có nghĩa là chúng ta chỉ có thể chuyển động theo hai chiều mà thôi. Bây giờ, nếu tờ giấy mà chúng ta sống nằm phẳng phiu, thì ta nói không gian của chúng ta là phẳng.
Nhưng nếu vì một lí do nào đó tờ giấy bị cong, thì ta nói không gian uốn cong.
Và tờ giấy có thể uốn cong theo hai kiểu. Nó có thể cong hết về một phía (gọi là “độ cong dương”) hoặc nó có thể cong về hai phía giống như cái yên ngựa hay miếng khoai tây chiên Pringles (kiểu này gọi là “độ cong âm” hay “làm phá sản chế độ ăn kiêng của bạn”).
Đây là phần hay ho: nếu ta tìm thấy không gian là phẳng ở mọi nơi, thì nó có nghĩa là tờ giấy (không gian) có khả năng trải ra vô tận. Nhưng nếu ta tìm thấy không gian có độ cong dương ở mọi nơi, thì chỉ có một hình dạng duy nhất để có độ cong dương ở mọi nơi thôi: đó là một quả cầu. Hay mang tính chuyên môn hơn: một spheroid (tức là một củ khoai tây). Đây là một cách theo đó vũ trụ của chúng ta có thể cuộn lại trên chính nó. Tất cả chúng ta có thể đang sinh sống trong tương đương ba chiều của củ khoai tây, nghĩa là cho dù bạn đi về hướng nào, cuối cùng bạn sẽ vòng trở lại chỗ cũ mà thôi.
Vậy không gian thuộc loại nào? Không gian của chúng ta là phẳng hay nó có một độ cong tổng thể? Và nếu bạn sống trong một căn hộ, thì nói trắng ra căn hộ của bạn hết sức không phẳng có đúng không?
Vâng, trong trường hợp này, hoá ra chúng ta thật sự có câu trả lời, đó là không gian có vẻ như “khá phẳng”, như trong câu không gian là phẳng trong phạm vi sai số 0,4 phần trăm. Bằng hai phương pháp rất khác nhau, các nhà khoa học đã tính được độ cong của không gian (chí ít là không gian mà chúng ta có thể nhìn thấy) rất gần với zero.
Hai phương pháp này là gì? Một cách là đo các tam giác. Một cái thú vị ở độ cong là các tam giác trong một không gian cong không tuân theo các quy tắc giống như các tam giác trong không gian phẳng. Hãy nghĩ tới vật tương tự-tờ giấy của chúng ta. Một tam giác vẽ trên một tờ giấy phẳng sẽ trông khác với một tam giác vẽ trên một bề mặt cong.
Các nhà khoa học đã tiến hành cái tương đương của những phép đo tam giác này trong vũ trụ ba chiều của chúng ta bằng cách nhìn vào một bức tranh vũ trụ xa xưa (bạn còn nhớ bức xạ nền vi sóng vũ trụ ở chương 3 chứ?) và nghiên cứu mối liên hệ không gian giữa những điểm trên bức tranh đó. Và cái họ tìm được là các tam giác mà họ đã đo tương ứng với các tam giác của không gian phẳng.
Cách còn lại để biết không gian về cơ bản có phẳng hay không là nhìn vào thứ đã làm cho không gian uốn cong lúc ban đầu: năng lượng trong vũ trụ. Theo thuyết tương đối rộng, có một lượng năng lượng nhất định trong vũ trụ (thật ra là mật độ năng lượng) sẽ làm cho không gian uốn cong theo chiều này hoặc chiều kia. Hoá ra mật độ năng lượng mà chúng ta có thể đo trong vũ trụ vừa vặn bằng mật độ cần thiết để làm cho không gian mà chúng ta nhìn thấy không hề uốn cong chút nào (trong phạm vi sai số 0,4 phần trăm).
Một vài người trong số bạn có lẽ sẽ thất vọng khi biết chúng ta không sống trong một củ khoai tây vũ trụ ba chiều thật ngầu, trong đó bạn sẽ vòng lại chỗ cũ nếu bạn cứ đi thẳng tới mãi mãi. Chắc chắn ai mà không mơ tới việc cỡi mô tô thần tốc dạo lòng vòng cỡ kiểu Evel Knievel trên toàn cõi vũ trụ? Nhưng thay vì cảm thấy thất vọng bởi thực tế chúng ta sống trong một vũ trụ phẳng nhàm chán, có lẽ bạn muốn có chút gì đó hấp dẫn. Tại sao ư? Bởi vì trong chừng mực mà chúng ta biết, thực tế chúng ta sống trong một vũ trụ phẳng là một trò may rủi khủng khiếp mang tầm cỡ vũ trụ.
Hãy nghĩ về không gian. Toàn bộ khối lượng và năng lượng trong vũ trụ là cái gây ra độ cong của không gian (hãy nhớ rằng khối lượng và năng lượng làm biến dạng không gian), và nếu chúng ta có khối lượng và năng lượng nhiều hơn một chút thôi so với hiện nay, thì không gian đã uốn cong theo kiểu này. Và nếu chúng ta có ít hơn một chút thôi so với hiện nay, thì không gian đã uốn cong theo kiểu kia. Nhưng hình như chúng ta có vừa vặn để làm cho không gian phẳng hoàn hảo như chúng ta có thể nói. Thật vậy, lượng vật chất vừa vặn năm nguyên tử hydrogen trong mỗi mét khối không gian. Nếu chúng ta có sáu, hoặc bốn, nguyên tử hydrogen trong mỗi mét khối không gian, thì toàn bộ vũ trụ hẳn đã khác rất nhiều (cong hơn, hấp dẫn hơn, nhưng khác đi).
Và câu chuyện còn lạ lùng hơn nữa. Vì độ cong không gian ảnh hưởng đến chuyển động của vật chất, và vật chất ảnh hưởng đến độ cong không gian, nên có những hiệu ứng hồi tiếp. Điều này có nghĩa là nếu trong những ngày tháng xa xưa của vũ trụ mà có vật chất nhiều hơn hay ít hơn chút xíu thôi, thì chúng ta đã chẳng có mặt ở đây với mật độ tới hạn này làm cho vũ trụ phẳng phiu, và rồi vạn vật đã bị đẩy xa hơn ra khỏi trạng thái phẳng. Để có không gian khá phẳng hiện nay thì nó phải cực kì phẳng trong vũ trụ xa xưa, hoặc phải có cái gì đó khác đang giữ cho nó phẳng.
Đây là một trong những bí ẩn lớn nhất về không gian. Không những chúng ta không biết không gian là gì, mà chúng ta cũng không biết vì sao nó hành xử như thế. Kiến thức của chúng ta về vấn đề này dường như rơi vào vùng… não phẳng.
Trích từ We Have No Idea (Jorge Cham & Daniel Whiteson)
