Một Vũ Trụ “Nhỏ Bé” Của 100 Năm Trước
Bạn hãy thử tưởng tượng một chút nhé. Quay ngược thời gian về đúng một thế kỷ trước, vào năm 1922. Khi đó, nếu bạn hỏi một nhà thiên văn học rằng vũ trụ của chúng ta rộng lớn đến đâu, câu trả lời họ đưa ra có thể sẽ khiến bạn kinh ngạc. Toàn bộ kích thước vũ trụ trong nhận thức của nhân loại khi ấy chỉ gói gọn trong Dải Ngân Hà, với đường kính ước tính khoảng 100.000 năm ánh sáng. Đối với họ, thiên hà của chúng ta chính là tất cả những gì tồn tại, một “vũ trụ đảo” huy hoàng giữa một khoảng không vô tận trống rỗng. Họ hoàn toàn không biết, và cũng không có cách nào biết được, điều gì đang nằm ngoài kia.
Đó là một bức tranh vũ trụ ấm cúng, có thể nắm bắt được, nhưng cũng vô cùng cô độc. Chỉ trong 100 năm ngắn ngủi, bức tranh đó đã bị xé toạc và thay thế bằng một viễn cảnh vĩ đại đến mức không thể tưởng tượng nổi. Hành trình nào đã đưa chúng ta từ một “hòn đảo” đơn độc đến một đại dương bao la với đường kính lên tới 93 tỷ năm ánh sáng? Và quan trọng hơn, 100 năm nữa, liệu hiểu biết của chúng ta về vũ trụ sẽ còn mở rộng đến đâu? Hãy cùng bắt đầu cuộc du hành xuyên thời gian để khám phá sự thay đổi nhận thức ngoạn mục nhất trong lịch sử khoa học.
Bước Ngoặt Thế Kỷ: Edwin Hubble Và “Cú Sốc” Về Các Thiên Hà
Đầu thế kỷ 20, bầu trời đêm ẩn chứa một bí ẩn lớn làm đau đầu giới thiên văn. Giữa vô vàn những chấm sáng quen thuộc là các ngôi sao, có những vật thể mờ ảo, trông như những đám mây xoắn ốc được gọi là “tinh vân”. Câu hỏi đặt ra là: chúng là gì?
Cuộc Tranh Luận Lớn và Thiên Hà Tiên Nữ (Andromeda)
Vào thập niên 1920, cộng đồng thiên văn chia làm hai phe trong một cuộc đối đầu nảy lửa được gọi là “Cuộc tranh luận vĩ đại”.
- Một phe, dẫn đầu bởi Harlow Shapley, cho rằng những tinh vân xoắn ốc này chỉ là những đám khí và bụi nằm bên trong Dải Ngân Hà của chúng ta. Theo họ, vũ trụ chỉ có một thiên hà duy nhất.
- Phe còn lại, mà đại diện là Heber Curtis, lại đưa ra một giả thuyết táo bạo hơn: đó là những “vũ trụ đảo” (island universes) – tức là những thiên hà riêng biệt, nằm cách chúng ta một khoảng không gian khổng lồ.
Cuộc tranh luận kéo dài không có hồi kết vì không ai có đủ bằng chứng thuyết phục. Mọi chuyện chỉ thay đổi khi một nhà thiên văn học tên là Edwin Hubble hướng kính thiên văn Hooker 100-inch tại Đài quan sát Mount Wilson về phía một trong những tinh vân sáng nhất: Tinh vân Tiên Nữ (Andromeda).
Bằng sự kiên trì và phương pháp quan sát tỉ mỉ, Hubble đã làm được điều không tưởng. Ông phát hiện ra các ngôi sao biến quang Cepheid bên trong Andromeda. Đây là những “ngọn nến chuẩn” của vũ trụ – loại sao có độ sáng thay đổi theo một chu kỳ rất đều đặn, và mối quan hệ giữa chu kỳ và độ sáng tuyệt đối của chúng đã được biết đến. Bằng cách so sánh độ sáng biểu kiến (thứ chúng ta thấy) và độ sáng tuyệt đối (thực tế), Hubble có thể tính toán khoảng cách đến chúng một cách chính xác.
Kết quả của ông là một cú sốc thực sự: Andromeda nằm cách chúng ta gần 1 triệu năm ánh sáng – một khoảng cách lớn hơn rất nhiều so với đường kính của Dải Ngân Hà. Điều này chỉ có thể có một ý nghĩa: Andromeda không phải là một đám mây khí, mà là một thiên hà khổng lồ khác, giống như thiên hà của chúng ta.
Khám phá này đã ngay lập tức chấm dứt cuộc tranh luận. Vũ trụ bỗng chốc phình to ra gấp hàng triệu lần trong tâm trí con người. Chúng ta không còn cô độc nữa. Bầu trời đêm không còn là sân sau của Dải Ngân Hà, mà là một cửa sổ nhìn ra một vũ trụ chứa đầy những thiên hà khác, có thể lên tới hàng tỷ, hàng nghìn tỷ.
Khám Phá Về Sự Giãn Nở Của Vũ Trụ
Nhưng Edwin Hubble không dừng lại ở đó. Sau khi chứng minh sự tồn tại của các thiên hà khác, ông và người cộng sự Milton Humason tiếp tục nghiên cứu ánh sáng phát ra từ chúng. Họ nhận thấy một hiện tượng kỳ lạ: ánh sáng từ hầu hết các thiên hà đều bị kéo dài về phía đầu đỏ của quang phổ. Hiện tượng này được gọi là “sự dịch chuyển đỏ” (redshift).
Hãy tưởng tượng tiếng còi của một chiếc xe cứu thương. Khi nó tiến lại gần bạn, âm thanh nghe cao hơn (sóng âm bị nén lại). Khi nó đi ra xa, âm thanh trầm xuống (sóng âm bị kéo dài ra). Ánh sáng cũng hành xử tương tự như vậy. Sự dịch chuyển đỏ chính là dấu hiệu cho thấy các thiên hà đang di chuyển ra xa khỏi chúng ta.
Điều đáng kinh ngạc hơn nữa là khi Hubble vẽ biểu đồ mối quan hệ giữa khoảng cách và tốc độ lùi ra xa của các thiên hà, ông phát hiện ra một quy luật rõ ràng, ngày nay được gọi là Định luật Hubble:
Các thiên hà càng ở xa chúng ta thì dường như chúng di chuyển ra xa càng nhanh.
Đây là bằng chứng không thể chối cãi rằng vũ trụ không hề tĩnh tại. Nó đang trong một trạng thái chuyển động không ngừng. Khám phá về sự giãn nở của vũ trụ đã khai sinh ra ngành vũ trụ học hiện đại. Nó gợi ý rằng nếu tua ngược lại thời gian, tất cả mọi thứ trong vũ trụ phải được bắt nguồn từ một điểm duy nhất, cực kỳ nóng và đặc – nền tảng cho lý thuyết Vụ Nổ Lớn (Big Bang) sau này.
Bản Đồ Vũ Trụ Hiện Đại: 93 Tỷ Năm Ánh Sáng và Hơn Thế Nữa
Từ những khám phá nền tảng của Hubble, các thế hệ nhà khoa học sau này đã vẽ nên một bức tranh vũ trụ ngày càng phức tạp và rộng lớn hơn. Ngày nay, con số được chấp nhận rộng rãi cho kích thước của phần vũ trụ mà chúng ta có thể thấy là 93 tỷ năm ánh sáng. Nhưng con số này đến từ đâu, và tại sao nó lại lớn hơn nhiều so với tuổi của vũ trụ?
Tại Sao Lại Là “Vũ Trụ Quan Sát Được”?
Trước hết, chúng ta cần làm rõ một khái niệm cực kỳ quan trọng: vũ trụ quan sát được. Đây không phải là toàn bộ vũ trụ, mà chỉ là một bong bóng không gian có tâm là chúng ta (người quan sát). Bán kính của bong bóng này được xác định bởi khoảng cách mà ánh sáng đã kịp di chuyển kể từ khi vũ trụ hình thành, tức là khoảng 13,8 tỷ năm.
Nhiều người thắc mắc: “Nếu vũ trụ 13,8 tỷ năm tuổi, tại sao vũ trụ quan sát được lại có đường kính 93 tỷ năm ánh sáng chứ không phải là 27,6 tỷ năm ánh sáng (13,8 x 2)?”
Câu trả lời nằm ở chính khám phá vĩ đại của Hubble: sự giãn nở của vũ trụ. Hãy hình dung bạn đang đứng ở trung tâm và nhìn vào một thiên hà rất xa. Ánh sáng từ thiên hà đó bắt đầu hành trình đến với bạn từ 13,8 tỷ năm trước. Trong suốt 13,8 tỷ năm ánh sáng di chuyển, không gian giữa bạn và thiên hà đó không hề đứng yên. Nó đã và đang liên tục giãn nở.
Giống như hai chấm mực trên một quả bóng bay. Khi bạn thổi phồng quả bóng, khoảng cách giữa hai chấm mực tăng lên. Tương tự như vậy, thiên hà đã phát ra ánh sáng đó, vào thời điểm chúng ta nhận được ánh sáng của nó ngày hôm nay, đã bị không gian giãn nở đẩy ra xa một khoảng cách lớn hơn nhiều, ước tính khoảng 46,5 tỷ năm ánh sáng. Vì bong bóng này mở rộng ra mọi hướng xung quanh chúng ta, nên đường kính của vũ trụ quan sát được là khoảng 93 tỷ năm ánh sáng.
Những “Thành Phần Vô Hình” Định Hình Kích Thước Vũ Trụ
Bức tranh vũ trụ hiện đại sẽ không hoàn chỉnh nếu thiếu đi hai thành phần bí ẩn nhất, chiếm đến 95% tổng khối lượng – năng lượng của vũ trụ. Chúng ta không thể thấy, không thể chạm vào chúng, nhưng có thể quan sát được tác động của chúng ở quy mô vĩ mô. Đó chính là năng lượng tối và vật chất tối.
- Vật chất tối (Dark Matter): Hãy coi nó như một loại “chất keo” vô hình của vũ trụ. Các nhà khoa học nhận thấy rằng các thiên hà quay nhanh đến mức, với lượng vật chất nhìn thấy được, lực hấp dẫn sẽ không đủ để giữ chúng lại với nhau; chúng đáng lẽ phải văng ra tung tóe. Phải có một loại vật chất bổ sung, vô hình, tạo ra lực hấp dẫn cần thiết. Vật chất tối chiếm khoảng 27% vũ trụ, đóng vai trò then chốt trong việc hình thành và duy trì cấu trúc của các thiên hà và quần tụ thiên hà.
- Năng lượng tối (Dark Energy): Nếu vật chất tối là chân phanh, thì năng lượng tối chính là chân ga. Vào cuối những năm 1990, các nhà thiên văn đã có một phát hiện gây sốc: sự giãn nở của vũ trụ không hề chậm lại do lực hấp dẫn như người ta vẫn nghĩ, mà nó đang tăng tốc. Một lực đẩy bí ẩn nào đó đang thắng thế lực hấp dẫn ở quy mô lớn nhất và đẩy mọi thứ ra xa nhau ngày càng nhanh. Lực này được gọi là năng lượng tối, chiếm tới 68% vũ trụ. Chính nó là động lực chính khiến kích thước vũ trụ quan sát được ngày càng phình to.
Có thể nói, vũ trụ của chúng ta là sân khấu của một cuộc kéo co vĩ đại. Kể từ sau Vụ Nổ Lớn, lực hấp dẫn từ vật chất (cả thông thường và tối) cố gắng kéo mọi thứ lại gần nhau, trong khi năng lượng tối lại hoạt động như một lực đẩy ngược lại, trải đều trong không gian và ngày càng chiếm ưu thế.
100 Năm Tới: Vũ Trụ Sẽ “Lớn” Đến Mức Nào?
Chúng ta đã đi từ một vũ trụ 100.000 năm ánh sáng đến 93 tỷ năm ánh sáng chỉ trong một thế kỷ nhận thức. Vậy 100 năm nữa, vào năm 2125, liệu con cháu chúng ta có nhìn vào con số 93 tỷ với một sự ngạc nhiên tương tự không? Câu trả lời phức tạp hơn bạn nghĩ.
“Bản Đồ” Sẽ Chi Tiết Hơn, Nhưng “Biên Giới” Có Thể Sẽ Xa Dần Vĩnh Viễn
Nghe có vẻ nghịch lý, nhưng trong tương lai, chúng ta có thể sẽ nhìn thấy ít thiên hà hơn so với bây giờ. Nguyên nhân chính là do sự giãn nở tăng tốc của vũ trụ do năng lượng tối gây ra.
Hãy tưởng tượng một “chân trời vũ trụ” (cosmic horizon). Những thiên hà nằm ngoài chân trời này đang lùi ra xa chúng ta với tốc độ nhanh hơn tốc độ ánh sáng (lưu ý: đây là sự giãn nở của không gian, không vi phạm thuyết tương đối). Điều này có nghĩa là ánh sáng phát ra từ chúng ngay bây giờ sẽ không bao giờ có thể đến được Trái Đất. Chúng sẽ biến mất khỏi tầm nhìn của chúng ta vĩnh viễn. Theo thời gian, ngày càng có nhiều thiên hà sẽ vượt qua “điểm không thể quay lại” này.
Vậy 100 năm nữa, vũ trụ quan sát được sẽ thay đổi ra sao?
- Về lý thuyết, bán kính sẽ lớn hơn một chút: Bong bóng quan sát của chúng ta sẽ mở rộng thêm 100 năm ánh sáng. Nhưng con số này là không đáng kể so với quy mô 93 tỷ năm ánh sáng hiện tại.
- Về thực tế, chúng ta sẽ nhìn “sâu” hơn, không phải “xa” hơn: Sự tiến bộ thực sự sẽ đến từ các công cụ thế hệ mới như Kính viễn vọng Không gian James Webb (JWST) và những người kế nhiệm của nó. Chúng cho phép chúng ta nhìn thấy ánh sáng từ những thiên hà mờ hơn, cổ xưa hơn, hình thành ngay sau Vụ Nổ Lớn. Chúng ta sẽ lấp đầy những khoảng trống trong bản đồ vũ trụ, hiểu rõ hơn về quá trình tiến hóa của các thiên hà đầu tiên, nhưng chúng ta sẽ không thực sự đẩy lùi được “biên giới” của vũ trụ quan sát được một cách đáng kể.
Những Câu Hỏi Lớn Về Kích Thước Vũ Trụ Thực Sự
Điều quan trọng nhất cần nhớ là: vũ trụ quan sát được không phải là toàn bộ vũ trụ. Nó chỉ là phần chúng ta có thể thấy. Vậy phần còn lại thì sao? Kích thước vũ trụ thực sự là bao nhiêu? Đây là lúc chúng ta bước vào lĩnh vực của những lý thuyết đầy hấp dẫn nhưng chưa thể kiểm chứng.
Vũ trụ thực sự có thể là vô hạn. Phần vũ trụ 93 tỷ năm ánh sáng của chúng ta có thể chỉ là một hạt cát trên một sa mạc không có điểm kết thúc.
- Lý thuyết Lạm phát Vũ trụ (Cosmic Inflation): Lý thuyết hàng đầu hiện nay cho rằng ngay sau Vụ Nổ Lớn, vũ trụ đã trải qua một giai đoạn giãn nở với tốc độ cực kỳ khủng khiếp, nhanh hơn ánh sáng rất nhiều lần. Nếu điều này là đúng, thì vũ trụ thực sự lớn hơn rất, rất nhiều so với phần chúng ta quan sát được, có thể lớn đến mức gần như vô hạn.
- Lý thuyết Đa vũ trụ (Multiverse): Một số nhà vật lý còn đi xa hơn, cho rằng có thể có vô số “bong bóng vũ trụ” khác, mỗi vũ trụ có những định luật vật lý riêng. Vũ trụ của chúng ta chỉ là một trong số đó.
Kết Luận: Cuộc Hành Trình Khiêm Tốn Của Nhân Loại
Một trăm năm. Trong cái chớp mắt của vũ trụ, đó là khoảng thời gian mà nhận thức của con người đã đi từ sự tự tin rằng thiên hà của mình là tất cả, đến sự khiêm tốn vô ngần khi nhận ra mình chỉ là một chấm nhỏ trong một cấu trúc vĩ đại không tưởng. Hành trình khám phá kích thước vũ trụ không chỉ đơn thuần là việc đo đạc khoảng cách, mà đó là hành trình mở rộng giới hạn tri thức và trí tưởng tượng của chính chúng ta.
Con số 93 tỷ năm ánh sáng của ngày hôm nay có thể là một con số khổng lồ, nhưng bài học lớn nhất mà một thế kỷ qua dạy cho chúng ta là đừng bao giờ cho rằng mình đã thấy được toàn bộ bức tranh. 100 năm nữa, liệu con cháu chúng ta có nhìn lại con số này với cùng một ánh mắt mà chúng ta nhìn về con số 100.000 năm ánh sáng của năm 1922 hay không? Chúng ta không biết. Nhưng có một điều chắc chắn: Cuộc khám phá vẫn chỉ mới bắt đầu.
Các câu hỏi thường gặp (FAQ)
1. Vũ trụ đang giãn nở vào đâu? Đây là một câu hỏi rất phổ biến! Cách tốt nhất để hình dung là vũ trụ không giãn nở “vào” một không gian trống có sẵn nào cả. Chính bản thân không gian đang được tạo ra và kéo dài ra. Hãy nghĩ về bề mặt của một quả bóng bay khi được thổi phồng: các chấm trên bề mặt di chuyển ra xa nhau, nhưng chúng không di chuyển “vào” đâu cả, chính bề mặt 2D đó đang giãn nở. Vũ trụ 3D của chúng ta cũng tương tự như vậy.
2. Có phải Trái Đất là trung tâm của vũ trụ quan sát được không? Đúng vậy, nhưng điều đó không có nghĩa chúng ta đặc biệt. Vì vũ trụ quan sát được được định nghĩa là một bong bóng ánh sáng lấy người quan sát làm tâm, nên bất kỳ ai, ở bất kỳ thiên hà nào khác, cũng sẽ thấy mình là trung tâm của vũ trụ quan sát được của chính họ.
3. Liệu vũ trụ có giãn nở mãi mãi không? Dựa trên những gì chúng ta biết về năng lượng tối, câu trả lời có lẽ là có. Sự giãn nở đang tăng tốc và dường như không có gì có thể ngăn cản nó. Kịch bản có khả năng xảy ra nhất là “Vụ Đóng Băng Lớn” (Big Freeze), nơi vũ trụ sẽ tiếp tục giãn nở và nguội đi cho đến khi tất cả các ngôi sao lụi tàn và vũ trụ trở nên lạnh lẽo, tối tăm và trống rỗng.
4. Sự khác biệt chính giữa vật chất tối và năng lượng tối là gì? Hãy nghĩ đơn giản thế này:
- Vật chất tối tạo ra lực hấp dẫn (hút vào). Nó hoạt động giống như vật chất thông thường, giúp giữ các thiên hà lại với nhau.
- Năng lượng tối tạo ra một lực phản hấp dẫn (đẩy ra). Nó là một thuộc tính của chính không gian và khiến sự giãn nở của vũ trụ tăng tốc.
🔎Lưu ý: Những câu chuyện trong bài viết được tổng hợp từ giai thoại dân gian, mang yếu tố hư cấu và chỉ nhằm mục đích giải trí. Độc giả vui lòng cân nhắc khi đọc.