Giải thích về việc giãn nở của vũ trụ

Khi bạn nướng một ổ bánh mì hoặc một mẻ bánh xốp, bạn cho bột vào lò nướng. Khi bột nướng trong lò, nó sẽ nở ra trong khay nướng. Bất kỳ viên sô-cô-la hoặc quả việt quất nào trong bột bánh xốp sẽ trở nên xa nhau hơn khi bột nở ra.

Sự giãn nở của vũ trụ, theo một cách nào đó, cũng tương tự như vậy. Nhưng sự tương tự này hơi khác một chút: bột thì nở ra trong khay nướng còn vũ trụ không có thứ gì để nở ra, nó chỉ nở rộng trong chính nó.

Nghe cứ như trò đùa, nhưng vũ trụ được coi là tất cả mọi thứ trong chính vũ trụ. Trong vũ trụ đang giãn nở, không có lò nướng, chỉ có bột. Ngay cả khi có một chiếc lò nướng thì nó vẫn là một phần của vũ trụ và nó sẽ giãn nở cùng với vũ trụ.

Ngay cả Giáo sư Nicole Granucci, nhà vật lý thiên văn học ở Trường đại học Quinnipiac, Mỹ, cũng nói rằng điều này thật khó hiểu. Bạn không gặp bất kỳ cái gì giống như thế trong cuộc sống hàng ngày để có thể liên tưởng và hình dung. Nó giống như hỏi xem đứng ở Bắc Cực mà đi xa hơn về phương bắc thì là đi đâu.

Có một cách khác để hình dung sự giãn nở của vũ trụ là nghĩ đến việc các thiên hà khác đang di chuyển ra xa Dải Ngân Hà của chúng ta như thế nào.

Các nhà khoa học biết rằng vũ trụ đang giãn nở vì họ có thể theo dõi các thiên hà khác khi chúng di chuyển ra xa thiên hà của chúng ta. Họ xác định sự giãn nở bằng tốc độ các thiên hà khác di chuyển ra xa chúng ta. Định nghĩa này cho phép họ hình dung ra sự mở rộng trong tưởng tượng.

Vũ trụ mở rộng

Vũ trụ bắt đầu từ Vụ Nổ Lớn (Big Bang) 13,8 tỷ năm trước. Big Bang mô tả nguồn gốc của vũ trụ là một điểm kỳ dị cực kỳ đặc và nóng. Điểm nhỏ bé này đột nhiên trải qua quá trình giãn nở nhanh chóng gọi là nở phồng, trong đó mọi nơi trong vũ trụ đều giãn nở ra bên ngoài.

Nhưng cái tên Big Bang dễ gây hiểu lầm. Đó không phải là một vụ nổ khổng lồ như tên gọi, mà chỉ là thời điểm vũ trụ giãn nở nhanh chóng.

Sau đó vũ trụ nhanh chóng ngưng tụ và nguội đi, bắt đầu tạo ra vật chất và ánh sáng. Cuối cùng, nó đã phát triển thành vũ trụ như chúng ta thấy ngày nay.

Vào năm 1922, Nhà vật lý học Alexander Friedman là người đầu tiên đưa ra ý tưởng cho rằng vũ trụ của chúng ta không tĩnh mà có thể giãn nở hoặc co lại. Ông đã chứng minh về mặt toán học rằng vũ trụ đang giãn nở.

Trong khi Friedman chứng minh rằng vũ trụ đang giãn nở, ít nhất ở một số điểm, chính Edwin Hubble là người đã nghiên cứu sâu hơn về tốc độ giãn nở.

Nhiều nhà khoa học khác cho rằng các thiên hà khác đang di chuyển ra xa khỏi Dải Ngân Hà, còn vào năm 1929, Hubble đã xuất bản bài báo nổi tiếng của mình khẳng định toàn bộ vũ trụ đang giãn nở và tốc độ giãn nở của nó đang tăng lên.

Khám phá này tiếp tục làm các nhà vật lý thiên văn bối rối. Hiện tượng nào cho phép vũ trụ thắng được lực hấp dẫn giữ nó lại với nhau đồng thời giãn nở bằng cách kéo các vật thể trong vũ trụ ra xa nhau? Và trên hết, tốc độ mở rộng của nó đang tăng nhanh theo thời gian.

Nhiều nhà khoa học sử dụng hình ảnh trực quan gọi là phễu giãn nở để mô tả quá trình giãn nở của vũ trụ tăng tốc như thế nào kể từ Big Bang.

Hãy tưởng tượng một cái phễu sâu có vành rộng. Phía bên trái của phễu - đầu hẹp - tượng trưng cho sự khởi đầu của vũ trụ. Khi bạn di chuyển về phía bên phải, bạn đang di chuyển về phía trước theo thời gian. Sự mở rộng hình nón thể hiện sự giãn nở của vũ trụ.

Các nhà khoa học chưa thể đo trực tiếp nguồn năng lượng gây ra sự giãn nở tăng tốc này đến từ đâu. Họ không thể phát hiện hay đo lường được nó. Vì không thể nhìn thấy hoặc đo trực tiếp loại năng lượng này nên họ gọi nó là năng lượng tối.

Theo mô hình của các nhà nghiên cứu, năng lượng tối là dạng năng lượng phổ biến nhất trong vũ trụ, chiếm khoảng 68%. Năng lượng từ vật chất hàng ngày, tạo nên Trái Đất, Mặt Trời và mọi thứ chúng ta có thể nhìn thấy, chỉ chiếm khoảng 5% tổng năng lượng trong vũ trụ.

Bên ngoài phễu giãn nở

Vậy bên ngoài phễu giãn nở là cái gì?

Các nhà khoa học không có bằng chứng về bất cứ điều gì ngoài vũ trụ đã biết của chúng ta. Tuy nhiên, một số dự đoán cho rằng có thể có nhiều vũ trụ. Một mô hình bao gồm nhiều vũ trụ có thể giải quyết một số vấn đề mà các nhà khoa học gặp phải với các mô hình vũ trụ hiện tại của chúng ta.

Có một vấn đề nổi cộm trong vật lý hiện nay của chúng ta là các nhà nghiên cứu không thể tích hợp cơ học lượng tử - lĩnh vực mô tả các hoạt động vật lý ở quy mô rất nhỏ - với lực hấp dẫn - là lực chi phối vật lý ở quy mô lớn.

Vật chất hoạt động ở quy mô nhỏ theo các quy luật phụ thuộc vào xác suất và lượng năng lượng được lượng tử hóa hoặc lượng năng lượng cố định. Ở quy mô này, các vật thể có thể xuất hiện và biến mất. Vật chất có thể hoạt động như sóng. Thế giới lượng tử rất khác với cách chúng ta nhìn thế giới trước mắt.

Ở quy mô lớn, tức là phạm vi mà các nhà vật lý học gọi là cơ học cổ điển, các vật thể hoạt động theo cách mà chúng ta thấy hàng ngày. Chúng không bị lượng tử hóa và có thể luôn luôn có năng lượng. Chúng không xuất hiện và không biến mất.

Thế giới lượng tử hoạt động giống như một công tắc đèn, trong đó năng lượng chỉ có tùy chọn bật tắt. Thế giới mà chúng ta nhìn thấy và tương tác hoạt động giống như một công tắc điều chỉnh độ sáng, cho phép sử dụng mọi mức năng lượng.

Nhưng các nhà nghiên cứu gặp vấn đề khi cố gắng nghiên cứu lực hấp dẫn ở cấp độ lượng tử. Ở quy mô nhỏ, các nhà vật lý sẽ phải cho rằng lực hấp dẫn đã bị lượng tử hóa, nhưng trên thực tế, nhiều nghiên cứu lại không cho kết quả như vậy.

Có một cách để làm cho những lý thuyết này kết hợp hoạt động cùng nhau là lý thuyết đa vũ trụ. Có nhiều lý thuyết nhìn xa hơn vũ trụ hiện tại của chúng ta để giải thích cách lực hấp dẫn và thế giới lượng tử phối hợp với nhau.

Một số lý thuyết được nhiều người biết đến là lý thuyết dây, vũ trụ học brane, lý thuyết lượng tử vòng và nhiều lý thuyết khác.

Dù chúng ta nghiên cứu theo cách nào thì vũ trụ vẫn tiếp tục giãn nở, với khoảng cách giữa Dải Ngân Hà và hầu hết các thiên hà khác ngày càng dài hơn theo thời gian.