Vũ trụ có điểm tận cùng hay không, bí ẩn khiến các nhà khoa học đau đầu?

Đây là những câu hỏi lớn của ngành vũ trụ học, liên quan trực tiếp đến bản chất của không gian, sự giãn nở của vũ trụ và những giới hạn trong khả năng quan sát của con người.

Vũ trụ có điểm tận cùng hay không?

Đây là một trong những câu hỏi khó hiểu nhất của ngành vũ trụ học: vũ trụ có rìa hay không và bản thân câu hỏi ấy có thực sự hợp lý?

Nếu vũ trụ có điểm tận cùng, điều gì sẽ nằm bên ngoài ranh giới ấy? Ảnh: AdobeStock

Hãy thử tưởng tượng con người sở hữu một con tàu vũ trụ có khả năng di chuyển nhanh hơn ánh sáng. Nếu cứ tiếp tục bay xuyên qua không gian, liệu con tàu có đến một thời điểm chạm phải ranh giới nào đó, nơi nó không thể tiến xa hơn?

Vũ trụ thực sự rộng lớn đến mức nào? Nếu vũ trụ có điểm tận cùng, điều gì sẽ nằm bên ngoài ranh giới ấy?

Đây đều là những vấn đề rất khó hình dung. Tuy nhiên, việc tưởng tượng một vũ trụ vô hạn cũng không hề dễ dàng hơn.

Con người thường có xu hướng nghĩ rằng mọi thứ đều phải tồn tại bên trong một không gian nào đó.

Vì vậy, khi biết vũ trụ đang giãn nở, nhiều người đặt câu hỏi: nếu vũ trụ ngày càng lớn lên, vậy nó đang giãn nở vào đâu?

Để tìm lời giải, trước hết cần phân biệt giữa phần vũ trụ mà chúng ta có thể quan sát và toàn bộ vũ trụ thực sự tồn tại.

Chân trời vũ trụ: Ranh giới của những gì con người có thể nhìn thấy

Có một khái niệm tương đối dễ hình dung hơn câu hỏi về rìa vũ trụ, đó là chân trời vũ trụ học – giới hạn của vùng vũ trụ mà con người có thể quan sát được.

Ánh sáng từ những thời điểm rất sớm sau Vụ Nổ Lớn (Big Bang) đã di chuyển trong không gian suốt khoảng 13,8 tỷ năm, tương ứng với tuổi của vũ trụ.

Điều này có nghĩa là chúng ta chỉ có thể quan sát những vùng không gian mà ánh sáng đã có đủ thời gian để truyền tới Trái Đất kể từ khi vũ trụ hình thành.

Tuy nhiên, trong lúc ánh sáng di chuyển, bản thân không gian cũng liên tục giãn nở.

Do đó, khoảng cách hiện tại đến những vùng xa nhất mà chúng ta có thể quan sát được lớn hơn rất nhiều so với quãng đường ánh sáng đã đi trong 13,8 tỷ năm.

Khoảng cách này, thường được xác định theo hệ quy chiếu đồng chuyển động, vào khoảng 45 tỷ năm ánh sáng theo mỗi hướng.

Vì vậy, đường kính của vũ trụ quan sát được ước tính vào khoảng 90 tỷ năm ánh sáng.

Bên ngoài giới hạn này, ánh sáng từ những vùng không gian xa xôi chưa có đủ thời gian để đến được các kính thiên văn của chúng ta.

Bởi vậy, dù công nghệ quan sát có phát triển đến đâu, con người vẫn không thể nhìn thấy những khu vực nằm ngoài chân trời vũ trụ học hiện tại chỉ bằng cách chế tạo kính thiên văn mạnh hơn.

Điều quan trọng là chân trời vũ trụ học không phải một bức tường hay ranh giới vật lý thực sự. Nó giống như đường chân trời mà các thủy thủ nhìn thấy khi đứng giữa đại dương.

Đường chân trời trên biển khiến đại dương dường như kết thúc ở một khoảng cách nhất định. Nhưng trên thực tế, biển vẫn tiếp tục trải dài vượt ra ngoài tầm mắt.

Tương tự, không gian cũng có thể tiếp tục kéo dài bên ngoài vũ trụ quan sát được của chúng ta.

Không có lý do nào để khẳng định rằng các thiên hà không thể tồn tại ở những khoảng cách xa hơn 45 tỷ năm ánh sáng. Chúng có thể hiện diện ở đó, nhưng ánh sáng từ chúng chưa thể đến với chúng ta.

Dẫu vậy, việc vũ trụ còn tiếp tục tồn tại bên ngoài vùng quan sát được vẫn chưa đủ để xác định nó có kích thước hữu hạn hay vô hạn.

Vũ trụ có thể hữu hạn nhưng không có ranh giới

Theo thuyết tương đối rộng của Albert Einstein, hình học của không gian có thể bị ảnh hưởng bởi vật chất và năng lượng.

Về nguyên tắc, không gian ba chiều có thể cong theo những cách khiến vũ trụ hữu hạn về kích thước nhưng không có điểm tận cùng.

Giống như một thủy thủ trên đại dương, hiểu biết của chúng ta về vũ trụ chỉ giới hạn trong khoảng cách mà ta có thể nhìn thấy; vì vậy, xét từ góc độ của chúng ta, vũ trụ thực sự có một rìa giới hạn. Ảnh minh hoạ: Skyatnightmagazine

Để hình dung điều này, hãy tưởng tượng bề mặt của một quả bóng bãi biển. Bề mặt ấy có diện tích hữu hạn, nhưng nếu một sinh vật chỉ có thể di chuyển trên bề mặt bóng, nó sẽ không tìm thấy một đường biên nào để đi đến tận cùng.

Sinh vật đó có thể tiếp tục di chuyển theo một hướng và cuối cùng quay trở lại vị trí ban đầu.

Tất nhiên, bề mặt quả bóng chỉ có hai chiều, trong khi không gian chúng ta đang sống có ba chiều. Phép so sánh này chỉ nhằm minh họa cách một không gian có thể hữu hạn mà không cần có rìa.

Nếu vũ trụ có độ cong dương, tương tự hình học của bề mặt quả cầu nhưng được mở rộng lên ba chiều không gian, tổng thể tích của nó có thể hữu hạn mà không tồn tại một ranh giới vật lý.

Trong một mô hình hai chiều tương tự, người ta không cần một lượng sơn vô hạn để phủ kín toàn bộ bề mặt quả bóng.

Ngược lại, một vũ trụ có độ cong âm có thể được hình dung như một dạng hình học phức tạp hơn, trong đó không gian cong theo những hướng khác nhau.

Vũ trụ phẳng và vũ trụ có độ cong âm, trong các mô hình tiêu chuẩn được xét đến, có thể trải dài vô hạn.

Như vậy, sự tồn tại của rìa vũ trụ và việc vũ trụ có hữu hạn hay không là hai vấn đề hoàn toàn khác nhau. Một vũ trụ hữu hạn vẫn có thể không có ranh giới, trong khi một vũ trụ vô hạn không cần bất kỳ điểm kết thúc nào.

Các phép đo cho thấy vũ trụ có thể phẳng và vô hạn

Trong nhiều thập kỷ qua, các nhà vũ trụ học đã tìm cách đo độ cong của không gian trên quy mô lớn. Những kết quả quan sát gần đây, kết hợp với các lập luận lý thuyết, nhìn chung cho thấy vũ trụ mà chúng ta đang sống rất gần với trạng thái phẳng về mặt hình học.

Vũ trụ phẳng không có nghĩa là không gian giống một mặt bàn hay một tờ giấy nằm trong một không gian nhiều chiều hơn.

Khái niệm này mô tả hình học của không gian trên quy mô lớn, trong đó các quy tắc hình học Euclid thông thường vẫn được áp dụng gần đúng.

Hình ảnh trường quan sát sâu (Deep Field) từ Kính viễn vọng Không gian James Webb, tháng 7/2022. Nguồn: NASA, ESA, CSA, STScI

Chẳng hạn, trong hình học phẳng, tổng ba góc của một tam giác bằng 180 độ. Nếu không gian có độ cong đáng kể, tổng các góc của tam giác trên quy mô đủ lớn có thể khác giá trị này.

Việc xác định độ cong của không gian không hề đơn giản. Các nhà khoa học phải phân tích những dấu hiệu để lại trong bức xạ nền vi sóng vũ trụ, sự phân bố của các thiên hà và nhiều dữ liệu quan sát thiên văn khác.

Các phép đo hiện tại cho thấy độ cong của vũ trụ rất nhỏ, phù hợp với mô hình không gian phẳng. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng vũ trụ phẳng không đồng nghĩa với việc các nhà khoa học đã chứng minh được vũ trụ vô hạn.

Những quan sát hiện nay chỉ có thể kiểm tra một phần không gian hữu hạn, nên vẫn chưa thể loại trừ hoàn toàn khả năng vũ trụ có kích thước hữu hạn nhưng quá lớn để chúng ta nhận ra độ cong của nó.

Nếu vũ trụ thực sự phẳng và kéo dài vô hạn, phần mà con người có thể quan sát chỉ chiếm một phần cực kỳ nhỏ của toàn bộ vũ trụ.

Khi đó, những gì chúng ta nhìn thấy bằng kính thiên văn chỉ là một phần giới hạn của một tổng thể rộng lớn đến mức khó tưởng tượng.

(Theo SciTechDaily, Earthsky, Skyatnightmagazine)