Okela trước khi lao vào khám phá những bí ẩn của vũ trụ, mình cần hiểu về tuổi và kích thước của nó đã. Đây là nền tảng để tìm hiểu về sự giãn nở của vũ trụ và hiện tượng "nhanh hơn cả ánh sáng" này nè! Tuổi của vũ trụ được ước tính bằng cách quan sát bức xạ nền vi sóng vũ trụ đó.
Bức xạ nền vi sóng này là "di sản" còn sót lại từ Vụ nổ lớn và nó thấm vào từng góc của vũ trụ luôn. Bằng cách phân tích những dao động nhiệt độ siêu nhỏ trong bức xạ này, các nhà khoa học có thể "lùi phim" lịch sử vũ trụ và tính ra rằng vũ trụ đã 13,8 tỷ năm tuổi rồi đó! Tuy nhiên, kích thước của vũ trụ thì... vượt xa sức tưởng tượng của chúng mình luôn. Khi vũ trụ tiếp tục giãn nở, bản thân không gian cũng không ngừng giãn nở theo, cho phép ánh sáng đi được những khoảng cách xa hơn nhiều so với tuổi thực của vũ trụ.
Chính vì thế, dù vũ trụ mới chỉ 13,8 tỷ năm tuổi nhưng đường kính của vũ trụ mà chúng mình quan sát được lại lên tới con số khủng khiếp 93 tỷ năm ánh sáng đó! Một trong những bằng chứng xịn xò nhất về sự giãn nở của vũ trụ là định luật Hubble, nó cho thấy một chân lý đơn giản mà sâu sắc: các thiên hà càng xa chúng mình thì chúng càng "chạy" ra xa nhanh hơn. Tốc độ "chạy mất dép" này có thể đo được bằng cách quan sát hiện tượng dịch chuyển đỏ.
Sự dịch chuyển đỏ là hiện tượng bước sóng của bức xạ điện từ từ một vật thể tăng lên vì một số lý do nhất định. Nó chính là kết quả trực tiếp từ sự giãn nở của vũ trụ đấy. Ngoài dịch chuyển đỏ, các nhà khoa học còn quan sát sự giãn nở của vũ trụ qua nhiều cách khác, ví dụ như quan sát kỹ càng các thiên hà siêu xa đã hé lộ tốc độ giãn nở của vũ trụ thay đổi ra sao theo thời gian. Những quan sát này không chỉ giúp các nhà khoa học xây dựng các mô hình vũ trụ chính xác hơn mà còn dẫn đến các khái niệm về vật chất tối và năng lượng tối - những thành phần vô hình nhưng cực kỳ quan trọng của vũ trụ.
Thuyết tương đối của Einstein là một trong những trụ cột của vật lý hiện đại nha. Nó gồm hai phần: thuyết tương đối đặc biệt và thuyết tương đối rộng. Thuyết tương đối đặc biệt nói về việc tốc độ ánh sáng là một hằng số bất biến, còn thuyết tương đối rộng thì coi trọng lực như độ cong của không-thời gian do vật chất tạo ra.
Một trong những kết luận nổi tiếng nhất của thuyết tương đối là không có vật thể nào có khối lượng nghỉ có thể đạt tới hoặc vượt quá tốc độ ánh sáng. Lý do là khi tốc độ tiến gần tới tốc độ ánh sáng, khối lượng của vật thể sẽ cần phải trở nên vô hạn, và năng lượng cần để tăng tốc cũng phải vô hạn luôn.
Tuy nhiên, plot twist đây rồi! Sự giãn nở của vũ trụ không liên quan đến sự chuyển động của vật chất trong không gian mà là sự giãn nở của chính không gian ấy mà. Có nghĩa là các thiên hà không tự "bay" trong không gian với tốc độ nhanh hơn ánh sáng mà đang bị "cuốn theo" sự giãn nở của không gian thôi. Vì vậy, sự giãn nở của vũ trụ hoàn toàn không vi phạm giới hạn tốc độ ánh sáng trong thuyết tương đối đâu nhé!
Để dễ hình dung hơn, mình hãy dùng phép so sánh này nha: vẽ một số điểm cách đều nhau bằng bút lên một quả bóng bay chưa được bơm căng, những điểm này tượng trưng cho các thiên hà trong vũ trụ. Khi quả bóng chưa phồng, tất cả các điểm đều ở gần nhau. Nhưng khi bạn bắt đầu thổi phồng quả bóng, bạn sẽ thấy khoảng cách giữa các điểm bắt đầu tăng lên.
Chú ý là bản thân các điểm không hề di chuyển đâu; vị trí tương đối của chúng vẫn giữ nguyên đó. Trong mô hình này, bề mặt của quả bóng đại diện cho không gian hai chiều tương tự như không gian ba chiều vậy. Khi quả bóng giãn nở, các điểm trên bề mặt sẽ cách xa nhau hơn. Điều này không phải do các điểm tự dịch chuyển mà là toàn bộ bề mặt đang giãn nở. Tất nhiên, mô hình này chỉ là phép ẩn dụ đơn giản thôi nha. Vũ trụ không phải hai chiều mà là ba chiều, và sự giãn nở của nó có thể phức tạp hơn bề mặt quả bóng nhiều lắm.
Nhưng mô hình này cung cấp một cách siêu trực quan để hiểu khái niệm cơ bản về sự giãn nở của vũ trụ đấy. Trong mô hình quả bóng bay, nếu quả bóng giãn nở vô hạn thì khoảng cách giữa các điểm sẽ tăng với tốc độ vô hạn luôn. Trong vũ trụ thực tế, do sự giãn nở của không gian nên khoảng cách giữa các thiên hà có thể tăng nhanh hơn tốc độ ánh sáng và điều này không vi phạm nguyên lý tương đối đâu, vì thuyết tương đối chỉ "cấm" vật chất vượt quá tốc độ ánh sáng thôi, còn không gian thì không bị cấm nha!
Sự giãn nở của vũ trụ không chỉ là một hiện tượng quan sát được, nó còn thách thức các định luật vật lý của chúng mình và đòi hỏi phải suy nghĩ lại về bản chất của khối lượng, năng lượng, thời gian và không gian nữa. Khi không gian có thể giãn nở vô tận, câu hỏi quan trọng là liệu các định luật vật lý có cần phải điều chỉnh để phù hợp với khuôn khổ vô hạn này không nhỉ?
Nghiên cứu về sự giãn nở của vũ trụ cũng dẫn đến các khái niệm về vật chất tối và năng lượng tối. Đây là những dạng vật chất và năng lượng mà chúng mình không thể quan sát trực tiếp được, nhưng qua ảnh hưởng của chúng lên sự giãn nở của vũ trụ, chúng mình biết rằng chúng chiếm phần lớn tổng năng lượng trong vũ trụ đó!
Vật chất tối ảnh hưởng đến tốc độ quay của các thiên hà và sự chuyển động của các cụm thiên hà thông qua hiệu ứng hấp dẫn, còn năng lượng tối là lực bí ẩn đang thúc đẩy sự giãn nở tăng tốc của vũ trụ. Cách chúng tương tác với sự giãn nở của vũ trụ và bản chất thật sự của chúng là gì chính là một trong những lĩnh vực nghiên cứu hot nhất trong vật lý hiện đại luôn! Sự giãn nở của vũ trụ cũng đặt ra những thách thức đối với những quan sát và lý thuyết trong tương lai của chúng mình nữa.
Khi vũ trụ tiếp tục giãn nở, các thiên hà xa xôi sẽ ngày càng cách xa chúng mình và cuối cùng có thể vượt ra ngoài phạm vi quan sát của mình luôn. Điều này có nghĩa là chúng mình có thể mất đi "cửa sổ" nhìn vào lịch sử ban đầu của vũ trụ, đồng thời hạn chế sự hiểu biết về số phận cuối cùng của vũ trụ. Mặc dù sự giãn nở của vũ trụ được chấp nhận rộng rãi như một sự thật cơ bản của vũ trụ học, nhưng cơ chế chính xác đằng sau nó phần lớn vẫn còn là ẩn số đó các bạn ơi!
Tham khảo: Zhihu
Nguồn: soha.vn
Bức xạ nền vi sóng này là "di sản" còn sót lại từ Vụ nổ lớn và nó thấm vào từng góc của vũ trụ luôn. Bằng cách phân tích những dao động nhiệt độ siêu nhỏ trong bức xạ này, các nhà khoa học có thể "lùi phim" lịch sử vũ trụ và tính ra rằng vũ trụ đã 13,8 tỷ năm tuổi rồi đó! Tuy nhiên, kích thước của vũ trụ thì... vượt xa sức tưởng tượng của chúng mình luôn. Khi vũ trụ tiếp tục giãn nở, bản thân không gian cũng không ngừng giãn nở theo, cho phép ánh sáng đi được những khoảng cách xa hơn nhiều so với tuổi thực của vũ trụ.
Chính vì thế, dù vũ trụ mới chỉ 13,8 tỷ năm tuổi nhưng đường kính của vũ trụ mà chúng mình quan sát được lại lên tới con số khủng khiếp 93 tỷ năm ánh sáng đó! Một trong những bằng chứng xịn xò nhất về sự giãn nở của vũ trụ là định luật Hubble, nó cho thấy một chân lý đơn giản mà sâu sắc: các thiên hà càng xa chúng mình thì chúng càng "chạy" ra xa nhanh hơn. Tốc độ "chạy mất dép" này có thể đo được bằng cách quan sát hiện tượng dịch chuyển đỏ.
Sự dịch chuyển đỏ là hiện tượng bước sóng của bức xạ điện từ từ một vật thể tăng lên vì một số lý do nhất định. Nó chính là kết quả trực tiếp từ sự giãn nở của vũ trụ đấy. Ngoài dịch chuyển đỏ, các nhà khoa học còn quan sát sự giãn nở của vũ trụ qua nhiều cách khác, ví dụ như quan sát kỹ càng các thiên hà siêu xa đã hé lộ tốc độ giãn nở của vũ trụ thay đổi ra sao theo thời gian. Những quan sát này không chỉ giúp các nhà khoa học xây dựng các mô hình vũ trụ chính xác hơn mà còn dẫn đến các khái niệm về vật chất tối và năng lượng tối - những thành phần vô hình nhưng cực kỳ quan trọng của vũ trụ.
Thuyết tương đối của Einstein là một trong những trụ cột của vật lý hiện đại nha. Nó gồm hai phần: thuyết tương đối đặc biệt và thuyết tương đối rộng. Thuyết tương đối đặc biệt nói về việc tốc độ ánh sáng là một hằng số bất biến, còn thuyết tương đối rộng thì coi trọng lực như độ cong của không-thời gian do vật chất tạo ra.
Một trong những kết luận nổi tiếng nhất của thuyết tương đối là không có vật thể nào có khối lượng nghỉ có thể đạt tới hoặc vượt quá tốc độ ánh sáng. Lý do là khi tốc độ tiến gần tới tốc độ ánh sáng, khối lượng của vật thể sẽ cần phải trở nên vô hạn, và năng lượng cần để tăng tốc cũng phải vô hạn luôn.
Tuy nhiên, plot twist đây rồi! Sự giãn nở của vũ trụ không liên quan đến sự chuyển động của vật chất trong không gian mà là sự giãn nở của chính không gian ấy mà. Có nghĩa là các thiên hà không tự "bay" trong không gian với tốc độ nhanh hơn ánh sáng mà đang bị "cuốn theo" sự giãn nở của không gian thôi. Vì vậy, sự giãn nở của vũ trụ hoàn toàn không vi phạm giới hạn tốc độ ánh sáng trong thuyết tương đối đâu nhé!
Để dễ hình dung hơn, mình hãy dùng phép so sánh này nha: vẽ một số điểm cách đều nhau bằng bút lên một quả bóng bay chưa được bơm căng, những điểm này tượng trưng cho các thiên hà trong vũ trụ. Khi quả bóng chưa phồng, tất cả các điểm đều ở gần nhau. Nhưng khi bạn bắt đầu thổi phồng quả bóng, bạn sẽ thấy khoảng cách giữa các điểm bắt đầu tăng lên.
Chú ý là bản thân các điểm không hề di chuyển đâu; vị trí tương đối của chúng vẫn giữ nguyên đó. Trong mô hình này, bề mặt của quả bóng đại diện cho không gian hai chiều tương tự như không gian ba chiều vậy. Khi quả bóng giãn nở, các điểm trên bề mặt sẽ cách xa nhau hơn. Điều này không phải do các điểm tự dịch chuyển mà là toàn bộ bề mặt đang giãn nở. Tất nhiên, mô hình này chỉ là phép ẩn dụ đơn giản thôi nha. Vũ trụ không phải hai chiều mà là ba chiều, và sự giãn nở của nó có thể phức tạp hơn bề mặt quả bóng nhiều lắm.
Nhưng mô hình này cung cấp một cách siêu trực quan để hiểu khái niệm cơ bản về sự giãn nở của vũ trụ đấy. Trong mô hình quả bóng bay, nếu quả bóng giãn nở vô hạn thì khoảng cách giữa các điểm sẽ tăng với tốc độ vô hạn luôn. Trong vũ trụ thực tế, do sự giãn nở của không gian nên khoảng cách giữa các thiên hà có thể tăng nhanh hơn tốc độ ánh sáng và điều này không vi phạm nguyên lý tương đối đâu, vì thuyết tương đối chỉ "cấm" vật chất vượt quá tốc độ ánh sáng thôi, còn không gian thì không bị cấm nha!
Sự giãn nở của vũ trụ không chỉ là một hiện tượng quan sát được, nó còn thách thức các định luật vật lý của chúng mình và đòi hỏi phải suy nghĩ lại về bản chất của khối lượng, năng lượng, thời gian và không gian nữa. Khi không gian có thể giãn nở vô tận, câu hỏi quan trọng là liệu các định luật vật lý có cần phải điều chỉnh để phù hợp với khuôn khổ vô hạn này không nhỉ?
Nghiên cứu về sự giãn nở của vũ trụ cũng dẫn đến các khái niệm về vật chất tối và năng lượng tối. Đây là những dạng vật chất và năng lượng mà chúng mình không thể quan sát trực tiếp được, nhưng qua ảnh hưởng của chúng lên sự giãn nở của vũ trụ, chúng mình biết rằng chúng chiếm phần lớn tổng năng lượng trong vũ trụ đó!
Vật chất tối ảnh hưởng đến tốc độ quay của các thiên hà và sự chuyển động của các cụm thiên hà thông qua hiệu ứng hấp dẫn, còn năng lượng tối là lực bí ẩn đang thúc đẩy sự giãn nở tăng tốc của vũ trụ. Cách chúng tương tác với sự giãn nở của vũ trụ và bản chất thật sự của chúng là gì chính là một trong những lĩnh vực nghiên cứu hot nhất trong vật lý hiện đại luôn! Sự giãn nở của vũ trụ cũng đặt ra những thách thức đối với những quan sát và lý thuyết trong tương lai của chúng mình nữa.
Khi vũ trụ tiếp tục giãn nở, các thiên hà xa xôi sẽ ngày càng cách xa chúng mình và cuối cùng có thể vượt ra ngoài phạm vi quan sát của mình luôn. Điều này có nghĩa là chúng mình có thể mất đi "cửa sổ" nhìn vào lịch sử ban đầu của vũ trụ, đồng thời hạn chế sự hiểu biết về số phận cuối cùng của vũ trụ. Mặc dù sự giãn nở của vũ trụ được chấp nhận rộng rãi như một sự thật cơ bản của vũ trụ học, nhưng cơ chế chính xác đằng sau nó phần lớn vẫn còn là ẩn số đó các bạn ơi!
Tham khảo: Zhihu
Nguồn: soha.vn