Hãy cùng tìm hiểu qua bài viết của Ethan Siegal trên trang Big Think về sự mở mở rộng của Vũ trụ.
Quy luật mặc định của Vũ trụ
Có một luật bất thành văn mà mọi người đều biết về vũ trụ. Đó là vận tốc cực hạn mà không có một thứ gì có thể vượt qua được. Chính là vận tốc ánh sáng trong chân không.
Nếu bạn là một hạt vật chất, bạn không chỉ không thể vượt vận tốc đó. Đơn giản là không bao giờ có thể đạt đến nó. Bạn chỉ có thể tiệm cận vận tốc ánh sáng mà thôi. Nếu bạn không có khối lượng, bạn không có sự lựa chọn nào khác. Bạn chỉ di chuyển với chỉ một vận tốc qua thời không; ngang với vận tốc ánh sáng nếu di chuyển trong chân không; hoặc một vận tốc nhỏ hơn nếu trong môi trường trung gian khác. Vận tốc di chuyển trong không gian càng nhanh, bạn sẽ chuyển động chậm hơn qua thời gian. Và nó được áp dụng với điều ngược lại. Không có cách nào để làm trái lại quy luật này cả. Bởi nó là nguyên tắc cơ bản của thực tại mà chúng ta đang hiện hữu.
Những khoảng cách vũ trụ vượt khỏi logic thông thường
Thế nhưng, khi chúng ta rọi mắt vào các vật thể xa xôi trong vũ trụ. Chúng trông có vẻ như vượt ra ngoài các suy luận logic thông thường. Qua một loạt các quan sát chi tiết. Chúng ta tự tin rằng Vũ trụ hiện tại vào khoảng 13.8 tỷ năm tuổi. Thiên hà xa nhất mà chúng ta quan sát được đến nay là khoảng 32 tỷ năm ánh sáng; ánh sáng xa nhất mà chúng ra quan sát được ở khoảng 46.1 tỷ năm ánh sáng; và các thiên hà nằm ngoài khoảng cách 18 tỷ năm ánh sáng thì không thể chiếu xạ đến chỗ chúng ta được; kể cả khi chúng ta gửi một tín hiệu có vận tốc ánh sáng ngay hôm nay đi chăng nữa.
Tuy nhiên, những điều này đều không phá vỡ những định luật vật lý về vận tốc ánh sáng; chúng chỉ vượt ra khỏi nhận thức chung. Về các khái niệm hành vi mặc định của một số thứ nhất định. Hãy cùng tìm hiểu về một vài khái niệm nên biết về sự giãn nở của Vũ trụ và vận tốc ánh sáng.
“Không có gì có thể di chuyển nhanh hơn vận tốc ánh sáng” nghĩa là gì?
Đây là một định luật: Không có gì có thể di chuyển nhanh hơn vận tốc ánh sáng. Nhưng thực sự thì ý nghĩa của nó là gì? Khi nghe đến câu nói này, đa phần mọi người sẽ nghĩ rằng:
- Khi tôi quan sát một vật, tôi có thể theo dõi được chuyển động của nó, dõi theo sự thay đổi về vị trí của nó qua thời gian.
- Khi tôi nhìn nó, tôi có thể ghi chép được vị trí quan sát được có nó và thời gian mà tôi quan sát nó.
- Sau đó, bằng cách sử dụng định nghĩa của vận tốc – rằng đó là một thay đổi về khoảng cách chia cho một sự thay đổi về thời gian – tôi có thể tính được vận tốc của nó.
- Từ đó, việc theo dõi một vật có hoặc không có khổi lượng, tôi có thể có phán đoán về vận tốc của vật đó không thể vượt ra khỏi vận tốc ánh sáng, nếu không thì nó sẽ phá các quy tắc của thực tại này.
Điều này là đúng với hầu hết các thử nghiệm thông thường. Nhưng nó không đúng trong tất cả các trường hợp. Cụ thể, tất cả những điều này bao gồm một giả định. Một thứ mà chúng ta thường không nghĩ đến, chứ đừng nói là đưa ra.
Giả định đó chính là về hình thái của không gian chứa vật
Không gian đó là phẳng, không cong hay bất biến? Điều này xảy ra trong một không gian Ơ-cờ-lít. Hình thái của không gian chúng ta thường nhận thức khi chúng ta nghĩ đến không gian ba chiều. Phần lớn chúng ta đều mường tượng ra một “hệ trục” ba chiều vào tất cả mọi thứ. Chúng ta nhìn thấy và cố gắng mô tả các vị trí và thời điểm với 4 hệ số; tương ứng với các trục x, y, z và trục thời gian.
Khi có đủ thời gian, ánh sáng phát ra từ một vật rất xa sẽ đến mắt chúng ta. Kể cả trong một vũ trụ đang nở ra. Tuy nhiên, nếu một thiên hà xa xôi có tốc độ suy thoái đạt tới; và duy trì ở mức hơn ánh sáng. Ta sẽ không bao giờ có thể thấy được nó. Kể cả khi chúng ra có thể nhận được ánh sáng mà nó phát ra trong quá khứ.
Nói theo cách khác, hầu hết chúng ta đều hiểu về khái niệm cơ bản của thuyết tương đối hẹp. Phần “không có gì nhanh hơn được ánh sáng”. Nhưng không hoàn toàn hiểu được Vũ trụ thực không thể được mô tả một cách chính xác chỉ nó. Thay vào đó, chúng ta cần phải xem xét những mối liên kết tương tác khác. Kết cấu không-thời gian chứa chúng trong Vũ trụ. Đó mới chỉ là chuyển động của các vật thể qua cái thời không đó; nơi được tuân thủ theo các quy luật của thuyết tương đối hẹp.
Vũ trụ không chỉ tuân theo thuyết tương đối hẹp
Điều mà thường không xuất hiện trong các khái niệm cơ bản của chúng ta. Là cách thức mà những kết cấu không gian khác xa so với cái mà chúng ta tưởng tượng. Nơi mà ta vẫn cho là có hình thái phẳng, và các trục ba chiều. Nơi mà mỗi thời điểm liền kề được mô tả bởi một đồng hồ phổ quát. Thay vào đó, chúng ta phải thừa nhận rằng Vũ trụ tuân thủ các quy tắc rộng hơn. Nằm trong thuyết tương đối rộng của Einstein; và rằng những quy tắc đó điều chỉnh cách mà thời không phát triển. Cụ thể:
- Tự thân không gian có thể nở ra hoặc co lại
- Tự thân không gian có thể uốn cong, chứ không chỉ là phẳng
- Các quy luật của thuyết tương đối được áp dụng cho các vật thể khi chúng di chuyển qua không gian, chứ không áp dụng đối với không gian
Tức là, khi chúng ta nói “không có gì có thể nhanh hơn ánh sáng”; thực sự ý của chúng ta là “không gì có thể đi nhanh hơn ánh sáng trong không gian”. Nhưng sự chuyển động đó không cho chúng ta biết được về sự phát triển tự thân của không gian. Mặt khác, chúng ta chỉ có thể cho rằng không có gì di chuyển nhanh hơn ánh sáng; trong sự tương đối với một vật thể khác ở cùng một địa điểm, hoặc sự kiện, trong thời không.
Không gian không giãn nở với một “tốc độ”
Vậy thì không gì có thể di chuyển qua không gian nhanh hơn ánh sáng. Nhưng vậy thì cách thức mà tự thân không gian thay đổi thì như thế nào? Bạn chắc cũng đã từng nghe đến việc chúng ta đang sống trong một Vũ trụ đang mở rộng. Và rằng chúng ta đã đo được tỷ lệ mà vụ trụ đang mở rộng: Định luật Hubble. Chúng ta thậm chí đã đo được tỷ lệ đó khá tốt. Và có thể chắc chắn, rằng từ tất cả các đo đạc và quan sát chúng ta đã thực hiện; tỷ lệ đó hiện nay là vào khoảng 66 đến 74 km/s/Mpc: ki-lô-mét trên giây trên megaparsec.
Mỗi megaparsec (Mpc) bằng khoảng 3.26 triệu năm ánh sáng. Trong khoảng cách mà một vật thể cách chúng ta 1 Mpc; chúng ta sẽ thấy chúng lùi lại khỏi chúng ta như thể là chúng đang đi về hướng ngược lại; với vận tốc tương đương 66-74 km/s. Nếu một vật thể cách chúng ta 20 Mpc; chúng ta sẽ thấy chúng đi lùi với vận tốc khoảng 1320-1480 km/s; nếu nó cách 5000 Mpc thì nó sẽ trông như thể lùi xa với vận tốc khoảng 330,000-370,000 km/s.
Nhưng vậy thì không gian đang giãn nở có nghĩa là gì?
Nhưng điều này là khá dễ nhầm lẫn vì hai lý do. Thứ nhất, nó không thực sự di chuyển với vận tốc đó trong không gian. Mà đó chỉ là hiệu ứng không gian giãn nở giữa các vật thể. Và thứ hai, vận tốc ánh sáng là 299,792 km/s. Vậy chả lẽ các vật thể giả định cách chúng ta khoảng 5000 Mpc; sẽ di chuyển khỏi chúng ta với vận tốc nhanh hơn ánh sáng?
Mô hình “bánh mỳ nho khô”
Hãy tưởng tượng rằng bạn có một quả bóng bột với nho khô nằm trong nó. Bây giờ hãy tưởng tượng rằng phần bột nở ra về mọi hướng. Nếu bạn đưa ngón tay chạm vào 1 cái nho khô; vậy bạn sẽ thấy các hạt khác xung quanh như thế nào?
- Những miếng nho khô gần nhất sẽ trông như thế chuyển động xa khỏi bạn, khi mà phần bột giữa chúng nở ra.
- Các mảnh nho khô xa hơn trông sẽ như thế chúng đang rời đi với vận tốc nhanh hơn, khi mà phần bột giữa chúng và bạn nhiều hơn giữa bạn và những mảnh nho ở gần.
- Các miếng nho khô ở xa hơn nữa trông sẽ còn di chuyển nhanh hơn nữa.
Bây giờ, cùng soi chiếu vào trong phân tích ở đây của chúng ta. Các mảnh nho khô là những thiên hà hoặc các chùm thiên hà; và phần bột chính là Vũ trụ đang mở rộng. Nhưng trong trường hợp này, phần bột biểu tượng cho kết cấu của không gian không nhìn thấy được; nó cũng thực mỏng đi theo sự nở ra của Vũ trụ. Và nó đơn giản là cung cấp “bệ đỡ” cho các mảnh nho, hay thiên hà, tồn tại trong nó.
Tỷ lệ mở rộng phụ thuộc vào tổng lượng “các thứ” nằm trong một đơn vị không gian.
Vậy theo sự mở rộng của Vũ trụ, nó bị pha loãng và tần suất mở rộng giảm xuống. Bởi vật chất và phóng xạ chiếm một số lượng các hạt cố định – khi Vũ trụ mở rộng và thể tích tăng lên – độ đậm đặc của vật chất là phóng xạ đều giảm xuống. Độ đậm đặc của phóng xạ giảm nhanh hơn một chút so với vật chất; bởi năng lượng của phóng xạ được định nghĩa bằng bước sóng của nó; và khi Vũ trụ mở rộng, bước sóng cũng bị giãn ra theo, khiến nó bị giảm năng lượng.
Mặt khác, phần “bột” tự thân nó cũng mang một số lượng năng lượng có hạn, dương cực và khác không trong mọi vùng khoảng không, và khi Vũ trụ mở rộng, độ đậm đặc năng lượng đó là cố định. Trong khi vật chất và phóng xạ bị giảm độ đậm đặc, năng lượng của “phần bột” (ở đây là không gian) sẽ không đổi, và đó là thứ mà chúng ta gọi là năng lượng tối. Trong Vũ trụ thật, chúng ta có thể tự tin kết luận rằng kho năng lượng của Vũ trụ chiếm chủ yếu bởi năng lượng tối là vì thế. Cho đến hiện tại, năng lượng tối vẫn luôn là thứ sẽ chiếm chủ đạo trong Vũ trụ.
Những sự khác biệt khó lường
Mỗi khi chúng ta nhìn vào các thiên hà xa xôi, chúng ta nhìn thấy ánh sáng từ nó: tức là đúng khi nó chạm đến chúng ta. Điều đó có nghĩa là ánh sáng mà phát ra đã trải qua một loạt các hiệu ứng:
- Sự khác biệt giữa trọng lực tiềm năng từ nơi mà nó phát ra đến nơi mà nó chạm tới.
- Sự khác nhau về chuyển động của vật phát thông qua không gian quanh nó và chuyển động của vận hấp thụ thông qua không gian quanh nó.
- Các hiệu ứng tích tụ của sự mở rộng của không gian, thứ làm cho bước sóng ánh sáng bị giãn ra.
Ơn trời, là sự khác biệt đầu tiên là rất nhỏ. Sự khác biệt thứ hai được biết đến như là vận tốc đặc biệt, có thể ở trong khoảng từ vài trăm đến vài ngàn km/s. Nhưng phần thứ 3 là hiệu ứng từ sự mở rộng của vũ trụ.
Hiệu ứng giãn nở không gian Vũ trụ
Với khoảng cách ở tầm trên 100 Mpc, nó sẽ luôn là hiệu ứng chủ đạo. Ở cấp độ cao nhất trong vũ trụ, sự mở rộng của Vũ trụ là với toàn thể vật chất. Điều quan trọng cần chú ý ở đây là sự giãn nở này không có “vận tốc” nội tại nào cả; không gian giãn nở với đơn vị tần suất: một vận tốc – trên – đơn vị không gian. Nó được thể hiện dưới dạng đơn vị kì quặc là km/s/Mpc trong đó cả km và Mpc đều là đơn vị đo khoảng cách, và tự thân chúng sẽ triệt tiêu nhau nếu bạn cố chuyển đổi 1 thứ sang thứ còn lại.
Ánh sáng từ các vật thể xa xôi đúng là sẽ có xu hướng chuyển sắc đỏ, nhưng không phải bởi không gì nhanh hơn vận tốc ánh sáng, hay là bởi không gì mở rộng nhanh hơn vận tốc ánh sáng. Mà bởi đơn giản là không gian tự mở rộng; chỉ là chính chúng ta cứ mắc kẹt với cái khái niệm “vận tốc” mà chúng ta vẫn quen thuộc.
Điều gì thực sự làm tăng tốc cho Vũ trụ mở rộng?
Một điều khó khăn mà chúng ta đang đối mặt là chúng ta không thể thực sự đo được vận tốc của các vật thể xa xôi. Chúng ta có thể đo khoảng cách của chúng qua một loạt các mốc định vị, như là độ sáng của nó hay là kích thước của nó trên nền trời, giả định rằng chúng ta biết hoặc có thể biết được độ sáng và kích thước tự thân của nó.
Chúng ta cũng có thể đo được độ chuyển dịch đỏ của nó, hay là ánh sáng từ nó thay đổi như thể nào từ khi nó phát ra đến lúc nó đến được với chúng ta nếu chúng ta ở đúng vị trí và ở trong một điều kiện chính xác như là khi ánh sáng được phát đi. Độ dịch chuyển đó, bởi việc chúng ta quen thuộc với cách mà bước sóng chuyển đổi do hiệu ứng Doppler (như với âm thanh), là thứ mà chúng ta gọi là tốc độ co lại.
Thứ được đo ở đây không phải là tốc độ theo nghĩa thường dùng
Tuy nhiên, chúng ta không đo vận tốc thực sự; chúng ra do các hiệu ứng tích tụ của chuyển động cộng với hiệu ứng mở rộng của Vũ trụ. Khi chúng ta nói rằng” Vũ trụ đang tăng tốc”, thực sự chúng ta đang muốn nói – và đây chắc chắn không phải thứ mà chúng ta chủ ý hướng tới – ở đây là nếu bạn quan sát cùng một vật thể khi mà Vũ trụ mở rộng, thì nó sẽ không chỉ làm tăng khoảng cách giữa nó với bạn, ngày càng xa, mà ánh sáng mà bạn nhận được từ vật thể đó sẽ càng ngày càng có xu hướng chuyển dịch sang sắc đỏ hơn, làm cho nó trông như đang càng ngày càng lùi xa bạn hơn.
Trên thực tế, thì, sự chuyển dịch đỏ là do sự giãn nở của không gian, chứ không phải là thiên hà đó đang ngày càng chạy xa bạn với tốc độ nhanh hơn. Tần suất mở rộng, nếu chúng ta thực sự đo lường nó qua thời gian, vẫn đang giảm xuống, và sẽ dần tiệm cận đến một giá trị khác không, dương cực và có hạn; đó chính là ý nghĩa của việc tồn tại trong một vũ trụ có năng lượng tối làm chủ đạo.
Vậy điều gì quyết định “khoảng cách” trong một Vũ trụ luôn mở rộng?
Khi chúng ta nói về khoảng cách đến một vật thể trong một Vũ trụ đang mở rộng, chúng ta luôn chụp một bức ảnh vũ trụ – một dạng góc nhìn của các vị Thần – về trạng thái của vạn vật trong một cái thời không đó: khi mà ánh sáng từ các vật xa xôi này chạm tới chúng ta. Chúng ta biết rằng chúng ta đang nhìn những vật thể này với hình ảnh của chúng ở trong một quá khứ rất xa, chứ không phải là cùng thời điểm với chứng ta hiện tại – khoảng đọ 13.8 tỷ năm sau vụ nổ Big Bang – hơn là việc nhìn thấy nó ở trạng thái như là nó phát ra thứ ánh sáng đến được với chúng ta hiện tại.
Nhưng khi chúng ta nói về việc “vật thể này cách chúng ta bao xa”, chúng ta không hỏi về việc nó cách chúng ta bao xa khi mà nó phát ra thứ ánh sáng mà chúng ta đang nhìn thấy hiện tại, và chúng ta cũng không hỏi anh sáng đó mất bao nhiêu thời gian để đến nơi. Thay vào đó, chúng ta hỏi rằng khoảng cách đến vật thể đó, như thể nếu chúng ta bằng cách nào đó có thể đóng bằng sự mở rộng của Vũ trụ ngay bây giờ, ngay bây giờ là bao nhiêu.
Những khoảng cách của sự không thể
Thiên hà xa nhất quan sát được là GN-z11, phát ra ánh sáng chung ta thấy hiện tại là 13.4 tỷ năm trước, và có vị trí cách chúng ta khoảng 32 tỷ năm ánh sáng. Nếu chúng ta có thể nhìn thấy về tận thời kì của vụ nổ Big Bang, chúng ta có thể nhìn được đến 46.1 tỷ năm trước, và nếu chúng ta muốn biết được khoảng cách đến vật thể xa nhất mà ánh sáng của nó còn chưa thể đến được chỗ chúng ta, nhưng một ngày nào đó sẽ đến, thì hiện tại nó cách khoảng 61 tỷ năm ánh sáng: đó là giới hạn tầm nhìn đến tương lai hiện tại.
Mặc dù bạn hiện tại không nhìn thấy nó, không có nghĩa là bạn không thể với đến nó. Bất cứ vật thể nào hiện đang ở ngoài khoảng cách 18 tỷ năm ánh sáng so với chúng ta sẽ vẫn phát sáng, và ánh sáng đó sẽ di chuyển qua Vũ trụ, nhưng kết cấu của vũ trụ cũng sẽ giãn ra liên tục ở ngưỡng mà làm cho chúng có thể không bao giờ đến được chỗ chúng ta.
Biên giới của thứ không thể chạm tới
Với mỗi khoảnh khắc qua đi, các vật thể không bị ràng buộc sẽ ngày càng di chuyển xa hơn, và các vật thể mà trước đó có ánh sáng có thể chạm tới được sẽ đi vượt qua cái ngưỡng có thể chạm tới để trở thành không thể chạm tới. Không gì di chuyển nhanh hơn ánh sáng trong một Vũ trụ luôn mở rộng, và đó vừa là một sự chúc phúc cũng là một lời nguyền. Trừ khi chúng ta tìm ra cách để vượt qua điều này, thì mãi mãi chúng ta chỉ có thể biết đến những thiên hà gần chúng ta, và sẽ không bao giờ có thể đi xa hơn nữa.
Hãy cùng đọc về các điều thú vị vũ trụ trong trang nhé.