Đây là lý do chúng ta mãi không thể hiểu rõ vũ trụ

So sánh kích thước các chủ thể trong vũ trụ Rất nhiều chủ thể trong vũ trụ có kích thước mà nếu chỉ bằng con số, chúng ta khó có thể hình dung được nó to lớn cỡ nào.

Hiểu hết tất cả bí ẩn của vũ trụ là giấc mơ khoa học tối thượng.

Tham vọng này theo nghĩa đen là bất khả thi, ngay cả với thiết bị cực tốt và phương pháp quan sát lý tưởng. Vũ trụ rộng lớn vô cùng, phần có thể quan sát được với loài người cả ở hiện tại và tương lai xa xôi, vẫn chỉ là phần hữu hạn bé nhỏ.

Vũ trụ chúng ta đang sống ngày nay có nguồn gốc từ một trạng thái vật chất nóng, đậm đặc, sau đó mở rộng và nguội lạnh. Kể từ sau vụ nổ Big Bang khoảng 13,8 tỷ năm trước, vũ trụ không ngừng mở rộng.

Dù ánh sáng có thể di chuyển trong không gian ở tốc độ cực nhanh, chúng vẫn chưa thể chạm tới rìa vũ trụ, vốn ngày càng mở rộng ra nhanh hơn cả tốc độ ánh sáng. Vì vậy, có một giới hạn mà xa hơn điểm đó, con người không thể thấy gì cả.

Nhờ những dự án kính viễn vọng như Hubble Deep Field, lần đầu tiên loài người nhìn thấy hàng nghìn những thiên hà xa xôi trong vũ trụ. Ảnh: NASA.

Từ học thuyết Big Bang

Nhiều khám phá trong suốt chiều dài lịch sử giúp loài người hiểu biết chính xác hơn về vũ trụ. Dù không thể biết mọi thứ, những kiến thức tìm được cho phép con người đưa ra kết luận: vũ trụ được tạo thành từ vật chất, năng lượng và bức xạ.

Chúng ta biết có khoảng 400 tỷ ngôi sao trong dải Ngân Hà, khoảng 2.000 tỷ thiên hà có mặt trong vũ trụ khả kiến. Chúng ta biết làm thế nào các đám mây khí tụ lại và tập hợp thành những nhóm thiên hà, cụm tinh vân, hành tinh, cấu trúc thiên hà và các khoảng không vô hạn giữa chúng.

Con người cũng biết được quy mô khoảng cách vũ trụ của các cấu trúc này (kích thước của chúng), lẫn cách thức vũ trụ phát triển theo thời gian.

Đáng chú ý, tất cả điều này đều khớp với nhau một cách hoàn hảo trong khuôn khổ thuyết Big Bang và Tương đối rộng. Khi phát hiện khoảng cách đo được từ Trái Đất đến một thiên hà thay đổi liên tục, chúng ta kết luận các thiên hà không phải đang tăng tốc ra xa khỏi loài người, mà chính kết cấu của không gian đang mở rộng.

Phần vũ trụ quan sát được (vũ trụ khả kiến) của chúng ta đến nay là 46 tỷ năm ánh sáng. Theo thời gian, con số này chắc chắn sẽ dần được mở rộng. Ảnh: NASA.

Từ đó, suy ra được vũ trụ không chỉ đang mở rộng mà còn dần nguội lại, vì các bước sóng ánh sáng bị kéo giãn ra ngày càng dài, mang ít năng lượng hơn.

Chúng ta cũng tìm được loại ánh sáng còn sót lại có các thuộc tính đặc trưng từ thời xa xưa nhất, chính là vi sóng nền vũ trụ (bức xạ điện từ được sinh ra từ thời kỳ sơ khai của vũ trụ, khoảng 380.000 năm sau Big Bang).

Ta biết được mạng lưới phát triển cấu trúc vũ trụ và những vật chất có mặt sớm nhất hoàn toàn không có nguyên tố nặng, do ánh sáng phát ra từ thời sơ khai có quang phổ đặc thù của chất khí.

Tất cả những suy luận này và rất nhiều điều nữa đã được xác thực bằng học thuyết Big Bang.

Học thuyết Big Bang là bước đột phá lớn trong công cuộc khám phá vũ trụ của loài người. Song, với sự phát triển của khoa học công nghệ và máy móc hiện đại, tinh vi hơn, học thuyết này cũng bộc lộ điểm bất hợp lý của một số tiên đoán trong lý thuyết cũ với những gì chúng ta quan sát được.

Sự hình thành và phát triển các cấu trúc trong vũ trụ từ sau vụ nổ Big Bang. Ảnh: NASA.

Đầu tiên, vũ trụ sẽ mở rộng quá nhanh, tới mức không có vật chất hoặc sụp đổ gần như ngay lập tức. Cũng không bao giờ hình thành ngôi sao hay thiên hà, trừ khi tốc độ mở rộng và mật độ năng lượng ban đầu được cân bằng một cách hoàn hảo.

Thứ hai, vũ trụ sẽ có nhiệt độ khác nhau theo các hướng khác nhau, vì không phải nơi nào cũng có mật độ năng lượng và vật chất như nhau. Nhưng các quan sát thực tế cho thấy vũ trụ có cùng nhiệt độ ở mọi nơi.

Cuối cùng, vũ trụ sẽ chứa đầy những di vật năng lượng cao chưa từng được phát hiện. Tuy nhiên đến nay chúng ta vẫn chưa thấy được.

Đến vũ trụ phình to

Để giải quyết những vấn đề này, lý thuyết Vũ trụ phình to (Theory of cosmic inflation) ra đời. Thuyết này cho rằng giai đoạn phình to kéo dài từ 10^−36 giây cho đến 10^−33 hoặc 10^−32 giây sau vụ nổ Big Bang. Sau giai đoạn này, vũ trụ tiếp tục giãn nở với tốc độ chậm hơn.

Học thuyết này cũng đưa ra sáu dự đoán khác cho những gì chúng ta sẽ thấy trong vũ trụ, mà sóng hấp dẫn là một trong số đó. Các sóng này được giới khoa học chứng minh thành công gần đây, cho thấy học thuyết Vũ trụ phình to là có cơ sở.

Thuyết Vũ trụ phình to cho rằng sau khi vụ nổ Big Bang xảy ra, vũ trụ to ra một cách nhanh chóng, sau đó tốc độ đi vào ổn định. Ảnh: NASA.

Chúng ta không thể biết hết về vũ trụ, song từ những lý thuyết được xây dựng theo thời gian, ta đã có thể nhìn vào vũ trụ xung quanh, sử dụng các bằng chứng có sẵn để xây dựng học thuyết Big Bang, sau đó đưa ra dự đoán để kiểm tra chính nó.

Những vấn đề chưa được giải đáp cùng các câu đố khó giải thích được về Big Bang đã mở đường cho chúng ta phát triển học thuyết Vũ trụ phình to, gợi mở những thắc mắc, sau đó đưa ra dự đoán mới bằng những kết quả có thể quan sát.

Tuy vẫn còn nhiều vấn đề chưa sáng tỏ, tất cả điều đó đã là ví dụ ngoạn mục về những gì khoa học có thể làm được.

Đại Việt