Các nhà khoa học biết vũ trụ đang giãn nở vì hai loại bằng chứng chính. Ánh sáng từ các thiên hà xa bị kéo dài về phía màu đỏ, và thiên hà càng xa thì bị kéo càng nhiều, đúng như khi không gian giữa chúng và mình đang nở ra. Và khắp bầu trời còn một lớp bức xạ rất yếu, dấu vết của thời vũ trụ còn nóng và đặc.
Chào bạn, đây là Nhà Khoa Học. Vũ trụ giãn nở là một câu nghe ở đâu cũng thấy, nhưng ít khi ai kể nó được phát hiện ra sao. Tập này mình đi theo dấu bằng chứng, trong đó có một đoạn tình cờ mà hai kỹ sư tưởng là do phân chim.
Dịch chuyển đỏ: tiếng còi xe và màu của ánh sao
Bạn chắc từng để ý tiếng còi xe cứu thương: khi xe lao tới, tiếng còi cao hơn; khi xe chạy qua và đi xa, tiếng trầm xuống. Sóng âm bị nén lại khi nguồn tiến tới và bị giãn ra khi nguồn đi xa.
Ánh sáng cũng là sóng. Khi một thiên hà lùi xa, ánh sáng của nó bị giãn ra, lệch về phía sóng dài, tức phía màu đỏ. Họ tách ánh sáng thành dải màu và tìm những vạch tối đặc trưng của các nguyên tố như hi đrô, giống như dấu vân tay. Những dấu vân tay đó xuất hiện ở đúng khoảng cách với nhau nhưng bị trượt cả khối về phía đỏ.
Vào đầu thế kỷ hai mươi, khi đo cho nhiều thiên hà, các nhà thiên văn thấy gần như tất cả đều lệch đỏ, tức là đang lùi xa mình. Nhà thiên văn Edwin Hubble, cùng với những người đi trước như Georges Lemaître, đã chỉ ra một quy luật: thiên hà càng xa thì lùi càng nhanh.
Chính quy luật càng xa càng nhanh đó là chữ ký của một vũ trụ đang giãn ra đều, chứ không phải của một vụ nổ tung ra từ một điểm trong không gian.
Quả bóng chấm bi: vì sao vũ trụ không có tâm?
Hình ảnh hay dùng nhất là một quả bóng bay vẽ những chấm bi. Khi thổi, mọi chấm cùng xa nhau ra. Đứng ở chấm nào, bạn cũng thấy các chấm khác lùi ra xa, và chấm càng xa thì lùi càng nhanh. Không có chấm nào là tâm.
Đó là lý do việc thấy mọi thiên hà lùi ra xa không có nghĩa mình đứng ở giữa vũ trụ. Người ở một thiên hà khác cũng sẽ thấy đúng điều như vậy.
Hình ảnh quả bóng có giới hạn: các chấm nằm trên mặt bóng hai chiều, còn vũ trụ là ba chiều, và không có bên trong hay bên ngoài quả bóng nào cả. Một hình ảnh gần hơn là chiếc bánh bao đang hấp với những hạt nho khô bên trong. Bột nở ra, hạt nho nào cũng thấy những hạt khác cách xa dần.
Điểm mấu chốt là các thiên hà không bay xuyên qua không gian như mảnh vỡ. Chính không gian giữa chúng giãn ra.
Tiếng rì rào mà hai kỹ sư tưởng là do phân chim
Nếu vũ trụ đang giãn nở, lùi thời gian lại thì mọi thứ phải từng rất gần nhau, rất đặc và rất nóng. Một số nhà vật lý đã dự đoán rằng từ thời nóng đó, phải còn sót lại một thứ ánh sáng đã nguội đi rất nhiều theo sự giãn nở, trải đều khắp bầu trời.
Vào giữa thế kỷ hai mươi, hai kỹ sư ở Mỹ là Arno Penzias và Robert Wilson đang làm việc với một ăng ten rất nhạy thì gặp một tiếng nhiễu rì rào không cách nào khử được. Nó đến từ mọi hướng, ngày cũng như đêm. Họ đã nghi cả tổ chim bồ câu làm trong ăng ten, và thật sự đã dọn phân chim ra, nhưng tiếng nhiễu vẫn còn.
Hoá ra thứ họ nghe chính là ánh sáng sót lại kia, gọi là bức xạ nền vi sóng vũ trụ. Phát hiện này sau đó được trao giải Nobel vật lý và trở thành một trong những trụ cột lớn nhất của thuyết Vụ Nổ Lớn.
Câu chuyện này là một ví dụ điển hình của khoa học: một phát hiện lớn đến từ những người kiên nhẫn không chịu bỏ qua một cái nhiễu mà người khác có thể đã lờ đi.
Vì sao cơ thể mình, Trái Đất và dải Ngân Hà không giãn ra?
Nhiều người hỏi: nếu không gian giãn nở, sao căn phòng không to ra, sao mình không cao lên.
Câu trả lời là sự giãn nở cực kỳ yếu ở cự ly nhỏ, và bị các lực khác lấn át hoàn toàn. Các nguyên tử trong cơ thể bạn được giữ bởi lực điện từ, Trái Đất quay quanh Mặt Trời được giữ bởi lực hấp dẫn, các ngôi sao trong dải Ngân Hà cũng vậy. Những hệ bị ràng buộc chặt như thế không giãn theo.
Chỉ ở những khoảng cách khổng lồ giữa các nhóm thiên hà, nơi lực hấp dẫn không đủ giữ, sự giãn nở mới lộ ra rõ ràng.
Thậm chí, thiên hà Tiên Nữ, hàng xóm lớn của mình, đang tiến lại gần dải Ngân Hà chứ không lùi xa, vì lực hấp dẫn giữa hai bên thắng thế. Ánh sáng của nó bị lệch về phía xanh chứ không phải phía đỏ. Quy luật giãn nở là quy luật của quy mô lớn, không phải của từng cặp hàng xóm.
Những gì đã chắc và những gì còn là câu hỏi
Những điều đã được bằng chứng ủng hộ rất mạnh: vũ trụ đang giãn nở; nó từng ở trạng thái nóng và đặc hơn nhiều; tuổi của vũ trụ được các nhà khoa học ước tính vào khoảng mười ba tỉ tám trăm triệu năm.
Có một điều khiến chính giới thiên văn bất ngờ: vào cuối thế kỷ hai mươi, những quan sát các vụ nổ sao ở rất xa cho thấy sự giãn nở không chậm lại như nhiều người nghĩ, mà đang tăng tốc. Thứ đang đẩy nhanh sự giãn nở được đặt tên là năng lượng tối, nhưng tên gọi chỉ là cách nói rằng mình chưa biết nó là gì.
Còn những câu hỏi đang mở: điều gì xảy ra ở khoảnh khắc đầu tiên, trước đó có gì không, hay câu hỏi trước đó có còn ý nghĩa không. Đây là những chỗ mà vật lý hiện nay chưa trả lời được, và các nhà khoa học nói thẳng như vậy.
Thật đáng kinh ngạc khi những con người đứng trên một hành tinh nhỏ, chỉ bằng cách phân tích ánh sáng đến được mắt mình, lại đọc được lịch sử của cả vũ trụ. Và biết đâu câu hỏi lớn tiếp theo, như năng lượng tối là gì, sẽ được giải đáp trong thời của chúng ta?
Câu hỏi thường gặp
Vụ Nổ Lớn có phải là một vụ nổ thật không?
Không giống vụ nổ bình thường tung mảnh vỡ ra một không gian có sẵn. Đó là sự giãn nở của chính không gian từ một trạng thái rất nóng và đặc, xảy ra ở mọi nơi cùng lúc chứ không từ một điểm.
Vũ trụ có giãn nở nhanh hơn ánh sáng không?
Ở những khoảng cách rất lớn, các thiên hà xa có thể lùi ra xa mình nhanh hơn ánh sáng do không gian giãn ra. Điều này không mâu thuẫn với thuyết tương đối, vì không có vật nào đang chạy trong không gian nhanh hơn ánh sáng.
Tuổi của vũ trụ được tính ra bằng cách nào?
Các nhà khoa học kết hợp tốc độ giãn nở hiện nay, những đặc điểm của bức xạ nền vũ trụ và mô hình về thành phần của vũ trụ. Nhiều phương pháp độc lập cho ra kết quả gần nhau, quanh mười ba tỉ tám trăm triệu năm.
Có thể nhìn thấy bức xạ nền vũ trụ không?
Mắt người không thấy được vì nó nằm ở vùng vi sóng. Nhưng trên những chiếc ti vi đời cũ dùng ăng ten, một phần nhỏ của những chấm nhiễu khi dò đài trống được cho là đến từ bức xạ này.
Năng lượng tối là gì?
Hiện chưa ai biết. Đó là tên gọi cho nguyên nhân khiến vũ trụ giãn nở ngày càng nhanh. Có nhiều giả thuyết đang được kiểm tra, và đây là một trong những câu hỏi lớn nhất của vật lý hiện đại.
